鐵路信號設備雷害分析與保護

易永貴

摘要：文章分析了鐵路信號設備普遍遭受的幾種雷電危害，為了能夠避免鐵路信號設備遭受雷害的破壞，對一般的雷害防護措施進行了研究，首先闡述了鐵路信號設備的防雷要求，然后將鐵路信號設備的防雷分類，最后針對內部防雷措施歸納并提出了三種主要方法，針對外部防雷措施進行歸納并提出了四種主要方法。

關鍵詞：鐵路信號設備；雷電危害；防雷措施；雷電電磁沖擊；雷電直接沖擊 文獻標識碼：A

中圖分類號：U284 文章編號：1009-2374（2017）08-0132-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.063

1 影響鐵路信號的一般雷害分析

1.1 雷電電磁沖擊

雷電產生電磁脈沖，直接沖擊地面或者沖擊安裝信號接收和發射的地面設施，這樣的雷電通常被稱為感應雷，是由于云層相互放電或者云地之間放電產生的，電磁脈沖會使信號回路和信號裝置發生過流或者過壓的情況，而產生的電磁感應會干擾地底深層的電力線路，戶外信號傳輸線和設備自身的電磁感應，從而導致磁感應范圍內的相關鐵路信號設施連鎖破壞。

1.2 雷電直接沖擊

雷電發生之后由于大量電荷積聚，產生雷暴現象，在其波及的范圍內直接入侵鋼軌、地面構架、鐵路信號線纜。強大的電流會使擊中地點與大地產生高壓，并瞬間釋放巨大的熱量。這種情況會給設備造成毀滅性的傷害，但是出現的幾率很小，由于其波及的范圍小、發生的概率低的原因，目前對于雷暴防護的研究并沒有實際的意義。

1.3 雷電感應

雷電感應是比較普遍的一個現象，自古就有，是由于雷電產生的電流遇到導體之后產生強大的電流或者電壓，鐵路信號設備一般在1000米內就會接受到雷電感應的打擊，一般從電源端口、天線端口、信號設施鋼鐵構架以及鐵路信號線口影響破壞，最終從外而內的影響到鐵路信號系統。雷電感應所波及的設備，除了遭到破壞性的打擊，還會造成信號設備的放電，產生更多的威脅。

1.4 雷擊浪涌

隨著電子信號設備的發展和廣泛運用，雷擊產生的電磁脈沖產生的暫態過電壓，以傳導、感應和耦合等方式入侵到鐵路建筑的信號系統中，暫態過電壓沿信號或者電源線路，在設備之間進行傳輸，產生感應電流并形成浪涌，包括靜電浪涌和磁感應浪涌。其中靜電浪涌主要由于帶有負電荷的雷云與帶有正電荷的鋼鐵設備進行感應釋放電流，破壞設備，磁感應浪涌則是由于閃電在空間內產生與時間具有相關性的磁場，作用于通信線路并造成破壞。

1.5 雷電的機械沖擊

當雷擊作用于兩平行的導體時，會產生巨大的安培力，物體或者導線會在安培力的作用下被劈開、折斷或者受到拉伸而變形。根據相關公式推導，對于具有折彎的金屬構件，比如導線或者金屬框架，在彎折處的夾角盡量保證大，最好是鈍角，這樣才能將雷擊產生的電動力降低到最小，否則會導致構件的折斷。雷電沖擊鐵路信號發射設施時，巨大的沖擊力會產生強大的熱能，水汽在預熱之后膨脹，產生機械沖擊的力量極大，會直接作用到周圍的設備，造成部件的破裂，阻斷鐵路信號的發生。

2 防止鐵路信號遭受雷電干擾的保護措施

2.1 鐵路信號設備的防雷要求

鐵路信號在列車的運行、鐵路的實時狀態、鐵路信息的維護等環節起著至關重要的作用。鐵路信號收發和處理設備的防雷工作十分嚴苛。

對鐵路信號的防雷設備要求在進入信號系統之后，不允許干擾到原設備的工作性能，在遇到雷電沖擊之后保證信號出現的破壞程度不足以威脅到列車行駛安全，鐵路的信號系統設備能夠繼續使用。防雷設備的放電特性應與被防護設備在絕緣耐壓水平上一致，并且防雷設備的“V-S”曲線在一定的閾值范圍內要低于被防護設備的“V-S”曲線。對于使用分層級防雷的設備時，要逐級驗證其防護能力，對于第一級的防雷設備，一般采用大容量和快速的設備，同時保證在中級防雷設備的可靠性和連貫性，實現逐級防護的效果。

2.2 鐵路信號設備遭遇雷害的一般原因和防雷分類

近年來由于雷害頻發，針對具體鐵路信號設備的雷害事故分析，雷害的原因一般包括：信號樓外的信號設備沒有安裝避雷針、信號設備未接地、接觸網桿塔的引線與臨近的信號電纜未隔離、信號樓的接觸網位置較高忽略了接閃設備的安設、信號樓在遇到雷擊閃擊時室內屏蔽效果不達標。針對雷害分類和事故多發情況，將鐵路信號的防雷分為外部防護和內部防護兩個方面。

外部防護主要是對信號收發設施的自身進行防雷保護，這一類防雷舉措主要包括避雷針、屏蔽網、分流、接地等方法。內部防護則是保護鐵路信號收發設施的內部構架，通常是采用合理布線、保護隔離、過電壓保護器、屏蔽、等電位連接來實現內部設備的雷電防護。

2.3 鐵路信號設備的外部防雷措施

2.3.1 安裝避雷針。主要是在室外鐵路信號設備較密集的地方安放，避免雷電直接沖擊線纜、信號設備和鋼軌。避雷針的位置選擇需要滿足能夠使密集區內鐵路信號設備全部避免遭受雷擊，同時確保避雷針不會因為雷電的沖擊產生雷電感應。為了避免電磁感應，避雷針的地線和密集區內的電路布線要有大于20米的安全

距離。

2.3.2 埋設接地網。接地網或者網狀接地是埋設在鐵路信號樓四周的，要求所設置的接地電阻不大于1Ω。一是這樣做將電流大部分都輸入大地；二是為了防止過電壓對鐵路信號設備造成威脅。一般采用銅包鋼的物體進行垂直接地，間隔在2.5m左右，采用直徑為10～12mm的鍍銅圓鋼進行水平接地，按照相關標準和實際的情況，埋設的接地網的電阻要和貫通地線連接，阻值在10Ω以內。

2.3.3 設置屏蔽接地柵。屏蔽接地柵就是法拉第籠，將其安裝在鐵路信號源的周圍，主要材料是導電良好的鍍鋅銅條，并將接地網和其進行連接。鐵路信號源由于是由許多小功率信號電氣設備、遙控以及低壓電子邏輯系統構成，因此需要加裝特定的屏蔽網。根據屏蔽網標準規定，網格的均壓環全部使用避雷帶，規格必須小于3m×3m，實現等電位連接。

2.3.4 增加防雷塔。在鐵路信號樓外的設備密集場地、信號樓的周圍增加防雷塔。防雷塔的安設應該避免線纜的交叉，防雷塔與線纜間距的要求要滿足國標規定的地上和地下距離標準，一般不大于3m。

2.4 鐵路信號設備的內部防雷措施

2.4.1 電位均衡連接。雷電入侵設備時，巨大的雷電電流流入大地，在接地建筑體四周放射形呈現電位。如果這個時候鐵路信號相關設備進入到這個磁場范圍，就會被因為電位差產生的高達數萬伏的入侵電壓進行沖擊而干擾破壞。為了消除這個破壞力極強的電位差，就必須進行電位均衡連接。不管是電源線后者信號線還是金屬管道以及接地線等，都要采用過電壓保護裝置進行電位均衡連接。內部各級防護層的接口處同樣要根據這樣的要求進行電位均衡處理，而且各個分布區間的需要分別電位均衡，并最后與主等電位連接棒均衡相接。比如鐵路信號的內部設備的相關金屬管線和地線以及窗柵等都建議接在地柵上，實行電位均衡連接。鐵路內部信號設施的金屬部件連同金屬骨架可以形成一個近似的屏蔽接地柵，解決了雷電引起的破壞力極強的電位差，保護了鐵路信號發生設備。

2.4.2 分級保護。針對380V低壓線路，按照國家相關的標準，需要進行三級過電壓保護。一級保護是將避雷器或保護器加在高壓變壓器后端到二次低壓設備的總配電盤間的電纜內芯線兩端；二級保護是將避雷器或保護器加在二次低壓設備的總配電盤至二次低壓設備的配電箱間電纜內芯線兩端；三級保護是將避雷器或保護器加在重要信號設備的前端。該方法對防護器的性能提出了很高的要求，成為了影響該措施的關鍵。

2.4.3 串接過電流保護裝置。感應雷、電磁、無線電和靜電對鐵路信號設備的干擾是浪涌的主要起因。鐵路信號設備經常在外圍布置電線電纜，這些電纜是雷電干擾的最直接對象，需要進行十分嚴格的保護，為了抑制信號系統浪涌電壓產生的過電流，避免過電流對微電子設備的危害，建議一般在信號線路入口處串接過電流保護裝置。

2.4.4 使用光纖傳輸。光纖的特點是傳輸過程中受到電磁的干擾小，具有很好的健壯性，對于精確可靠度高的數據通信接口，諸如計算機的接口、輸出輸入設備等使用光纖傳輸能夠更加實時安全地完成協議通信，避免雷電的干擾。

3 結語

鐵路信號設備是鐵路運營系統不可缺少、至關重要的設備。對于鐵路信號設備的防雷一直是相關機構研究的重點，雖然在近幾年防雷措施取得了進步得到了發展，但是面對雷擊事故，面對未來的高鐵快速發展，對于防雷措施的研究和鐵路信號的保護工作仍然還有很長的路要走。本文闡述的內部防雷措施和外部防雷措施，需要彼此相互配合才能將危險降到最低，鐵路信號設備防雷與保護是一個較為綜合性的問題，需要在保障基礎防雷的前提下進行更加深層次的研究。

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（責任編輯：小 燕）