非電化區段鐵路設備防雷改進方案探討

薛坤斌 上海鐵路局總工程師室

非電化區段鐵路設備防雷改進方案探討

薛坤斌 上海鐵路局總工程師室

對非電化區段鐵路設備防雷現狀、存在的實際問題和近幾年因雷擊設備損壞事件進行了深入分析,并根據國內外防雷有效手段和措施，提出行之有效的防雷改進建議。關鍵詞 非電化；設備防雷；改進方案

1 概況

目前，隨著各主要干線電化改造、高鐵線路漸次開通，電化區段鐵路設備采用的防雷設施較為完備。但，在那些偏遠的非電化區段鐵路設備所采取的防雷措施卻仍然非常陳舊和落后。每年雷雨季節，在因雷擊引起的這些非電化區段鐵路設備故障較多，嚴重影響行車效率和安全。

2 非電化區段鐵路設備防雷現狀簡述

2.1 接地形式

非電化區段的接地均為分散接地方式，且分為室內和室外接地兩種形式。具體接地形式如下：

（1）室內接地線共分為三種：防雷地線（接地電阻≤10 Ω、沙石地段為≤20 Ω）、安全地線（接地電阻≤10 Ω、沙石地段為≤20 Ω）、微電子計算機保護接地（接地電阻≤4 Ω）。

（2）室外僅信號防雷型軌道電路變壓器要求加裝接地線，接地電阻為≤10 Ω（沙石地段為≤20 Ω）。

2.2 防雷設備

非電化區段室內加裝防雷設備：供電電源輸入、輸出部分加裝兩級橫向、縱向防雷模塊；通信電纜通道加裝橫向防雷模塊；信號軌道電路室內接受端加裝簡單防雷模塊。

（1）電源防雷采用二級防雷：現在非電化區段的貫通電源和自閉電源為380V三相電源，所采取的防雷措施與電化區段、高鐵線路電源防雷基本一致。

（2）非電化區段的信號軌道電路多為JZXC-480型軌道電路，僅在室內接受端電纜側加裝橫向防雷模塊。

3 實際運用中存在的問題

由于非電化區段信號設備所采取的防雷方案考慮不全面、存在缺陷，在每年的雷雨季節均會發生設備被雷擊損壞事件。主要缺陷有如下幾點：

3.1 接地線設置不合理

（1）通信、信號機械室內接地線分類太雜，接地電阻標準太低，無法滿足現場防雷接地要求。由于機械室多種地線均為單獨設置在房屋四周，在某個點發生雷擊時，易在不同地線間產生電勢差，從而損壞設備；同時，由于接地電阻標準要求較低，在遭受雷電感應時，設備通過地線將瞬間感應的電荷釋放至大地的效果不理想。

（2）各類電纜的鎧裝鋼帶、鋁護套等均未統一做地線，無法預防室外雷電感應電勢串擾室內設備。

（3）車站站房（含信號、通信機械室、供電配電室）、廣場照明燈、各類鐵塔（含通信、電信鐵塔）、室外高柱信號機、各類高柱金屬標志牌未做接地處理，在曠野地帶基本為最高設施，在雨水淋濕水泥機柱時，易受直接雷擊。

3.2 防雷設施不完整

（1）車站站房（含信號、通信機械室、供電配電室）屋頂未采取防雷措施，易受直擊雷襲擊。

（2）信號機械室內除軌道電路受端電纜側加裝橫向防雷模塊外，軌道電路發送端、道岔啟動/表示電路電纜側、信號機點燈電路電纜側等處均未加裝防雷模塊，這樣在雷電擊中室外相關設備時，已通過電纜芯線串至室內，損壞相關設備。

（3）室外信號軌道電路變壓器、信號機變壓器也未裝防雷模塊，在雷擊中鋼軌、信號機時，易損壞變壓器，并讓雷電順利串至室內。

4 改進方案建議

借鑒多年來綜合防雷施工方案和在實踐運用中不斷完善的經驗教訓，結合非電化區段實際情況，提出以下改進建議。

4.1 優化地線配置、降低接地電阻

地線是防雷的關鍵所在，雷電擊中室內外設備并最終需經設備入地，否則因雷電產生的強大電荷無法釋放。直接雷擊中機械室房屋、線路設備、終端設備，放電電壓高（可達500 kV以上）、放電電流大（可達200 kA以上）、放電過程時間短（一次閃電放電時間在40 μs左右）、閃電電流波形波頭陡度大（在不到1 μs的時間內可達100 kA，沖擊力強勁），所以直擊雷破壞性極大（如圖1）。為了及時消除電荷堆積，就需要及時將電荷釋放到大地。通過電磁理論研究、實驗室試驗和現場使用情況分析發現：接

地線接地電阻越小、導電率越大、截面積越大、與土壤接觸面積越大，雷擊電荷堆積越小、入地釋放時間越短，造成設備的損壞就越小。因直接雷放電的強大電磁場（感應雷）作用在鄰近的導線或電子、電氣設備系統內產生的靜電感應過電壓和過電流以及電磁感應過電壓和過電流等，與接地線的關系也是如此（如圖2）。針對雷電的以上特點，結合非電化區段的接地現狀，提出如下接地線改進建議.

圖1 直接雷放電示意圖

圖2 雷電的靜電感應示意圖

（1）補全接地線。

車站站房（含信號、通信機械室、供電配電室）、廣場照明燈、各類鐵塔（含通信、電信鐵塔）、室外高柱信號機、各類高柱金屬標志牌等均應按照相關防雷標準做好接地線。

（2）優化設備地線配置。

室內各類地線應采用集中與分類相結合原則進行設置。

信號機械室接地點應按照綜合防雷標準在機械室四周統一做成信號設備使用的接地網，并將室內的電源防雷地線、電纜鋼帶/鋁護套地線、組合架（柜）地線、分線盤防雷地線等分別引接至接地網。

通信機械室、供電配電室防雷接地可比照信號機械室接地方案進行改進。注意：供電配電室所用接地網不能與信號、通信機械室接地網連接、更不能共用，防止強電干擾弱電。

（3）改進接地方式。

為了使接地電阻降低，導電率、截面積、與土壤接觸面積增大，結合實際情況，建議采取以下措施：

①為了接地線本身導電電阻較低、導電率、截面積較大，結合實驗室檢驗的經濟且效果良好的結果，建議室內外各類接地線采用50 mm2銅線。

②為了增加接地極與土壤的接觸面積，機械室采用地網接地方式、室外采用集中設置接地極（接地網）結合貫通地線連接方式，這樣既增加了接地極與土壤的接觸面積又降低了接地電阻。這種接地極設置方式在沙石地質、山區尤其明顯。

③提高接地電阻標準

為了提高接地效果，借鑒高鐵接地標準和現有接地工藝，適當將各類接地電阻標準提高為≤1 Ω，也可使用防雷接地極最新研制成果-儲能式接地裝置。

4.2 根據實際需要增加防雷設施

（1）車站站房（含信號、通信機械室、供電配電室）屋頂應采用建筑頂層避雷網并做好接地處理，防止直擊雷襲擊，使屋內人員、設備免受傷害。

（2）根據最新綜合防雷標準，在室內各類入戶電纜側加裝相應規格的縱、橫向防雷模塊并做好接地處理，這樣在雷電擊中室外相關設備時，通過防雷模塊的過壓、過流保護，防止感應雷通過電纜芯線串至室內，損害設備。

（3）根據室外軌道電路變壓器、信號機變壓器防雷需要，加裝相應的防雷模塊，在雷擊中鋼軌、信號機時，防止感應雷損壞變壓器、串至室內。

5 實例分析

2014年7月12日17：50，雷擊造成宣杭線建國站IBG、4DG出現紅光帶，2/ 4號道岔定反位無表示。

5.1 原因分析

（1）該雷為直接擊中SF高柱進站信號機機構。

（2）損壞設備：SF燈泡爆裂，附近的ⅡBG、2DG的送電端XB箱內一次側1A空開被擊碎，2#道岔尖1室外二極管組合的電阻被擊斷。

（3）雷擊線路：雷電擊中SF高柱信號機后，通過金屬梯子和被雨淋濕的水泥機柱傳導至附近鋼軌，鋼軌通過：分支一、軌道電路箱盒引接線傳導至變壓器，當大電流欲通過一次側1A空開時，電流過大，引發空開爆裂，切斷其向串擾通道；分支二、通過潮濕的道岔轉轍機桿件，沿電機轉子繞線和配線，傳導至二極管組合，擊斷回室內通道的電阻，切斷其向串擾通道。

5.2 存在問題

二通道進站信號機地處空曠地帶，且為最高點，機構未做接地（非電化區段不要求做），所以當直接雷擊中高柱信號機時無法迅速釋放到大地，于是就擴大范圍釋放電荷，造成雷擊影響面擴大。

5.3 改進措施和實施效果

將非電化區段的高柱進站信號機按照電化要求做接地處理。

6 結束語

上述非電化區段鐵路信號設備防雷改進方案，2012-13年，寧蕪線塔橋站，北楊線張廟站，皖贛線胡樂站、黃山站防雷改進方案均已實施到位，到目前為止，未發生一起雷擊損害設備事件，防雷效果比較明顯。

責任編輯：萬寶安 竇國棟

來稿日期：2015-01-06