鐵路信號系統防雷措施分析及對策

周寧寧 中國鐵路上海局集團有限公司南京電務段

隨著中國高鐵的迅猛發展，鐵路信號設備電子化程度也得到大幅度提高，大量微電子化、智能化信號設備被廣泛應用，計算機聯鎖、列控、CTC 等設備已經逐漸普及，但此類電子化設備的特性決定了其很容易受到雷電影響。近年來，因雷擊引起的鐵路信號設備故障也頻有發生，給正常的鐵路運營秩序和高效運行帶來了很大的影響。本文通過對雷擊的影響及其侵入信號設備的主要途徑、常用的防雷措施進行分析，重點針對鐵路信號設備的防雷要求和措施進行研究。

1 雷擊造成鐵路信號設備故障的典型案例

2003 年 6 月 17 日，一道霹靂擊中了沈陽北站的信號樓，全站信號控制系統基本癱瘓，造成鐵路不能進行正常接發列車作業，十余列客車受阻北站之外，經過鐵路工作人員2 個多小時的奮戰才恢復正常運輸秩序。2004 年 6 月 23 日，受雷擊影響，兗州鐵路行車信號系統發生故障，從北京、天津開往上海的8 趟列車抵滬晚點。2011 年 7 月 30 日，受雷擊影響，宜萬鐵路宜昌長陽段至巴東段雙向信號燈出現故障，致使當時途徑該路段的列車全部停運，其中，恩施至北京K50次列車晚點達2 h。

2 雷害類型及常用的防雷措施

2.1 雷害的類型

（1）直接雷。雷電直接擊中信號設備，導致設備內部產生過電壓、過電流的稱之為直接雷。直接雷的危害較大，基本上在一瞬間就完成了對設備的損害，因為電壓和電流過高導致設備內部無法承載，造成了破壞性極大的損傷，甚至還有可能導致爆炸情況的發生。

（2）感應雷。感應雷的損害主要是通過靜電場實現。雷擊發生前會先形成雷云，雷云本身具有強大的電場，在這種靜電場內，即使雷電沒有擊中信號設備，依然可以通過信號線纜、大地以及任何導電物體進入信號設備造成影響。鐵路信號設備中的電子元器件數量較多，受感應雷的影響較大。

2.2 常用的防雷措施

（1）配置接閃裝置。接閃裝置就是避雷針、避雷線、避雷網等。用避雷網與避雷線為基礎構成穩定的接閃裝置，可形成安全通道，在接收到雷電電流時可在較短時間內將其釋放至大地，嚴格約束雷電的釋放通道，實現對設備的防護。

（2）采用均壓措施。接閃裝置在接閃雷電時，引下來的電壓立即產生高電位，會對防雷系統周圍仍然處于低電位的導體產生旁側閃絡。為了減少這種危害，最簡單的辦法就是采用均壓環，在接閃裝置距離達不到規定的安全要求時，將處于低電位的導體等電位地連接起來并接到接地裝置。

（3）屏蔽。利用金屬網、箔、殼等導體把需要保護的對象包圍起來，將雷電電磁脈沖波入侵的通道全部截斷。所有屏蔽套殼均需采取接地處理措施。屏蔽是防止雷電電磁脈沖對電子設備影響最有效的辦法。

（4）接地。讓已經流入防雷系統的電流順利流入大地，不讓雷電能量集中在防雷系統的某一處對被保護的設備造成破壞，良好的接地才能有效的泄放雷電能量。

（5）分流保護。這是現代防雷技術的重點發展方向，是保護各種電子設備的重要措施。分流就是所有室外來的導體與防雷接地裝置或者地線之間并聯適當的避雷器，當直擊雷或者感應雷過電流順著導線進入室內時，避雷器的電阻突然降低，過電流就由這些阻值極低的避雷器分流入地了。但仍然可能有少部分電流進入設備，所以應該采用多級分流。

（6）躲避。躲避方式在建筑物選址階段便得到應用，根據現場的情況確定雷電事故多發區，在安裝設備時避開這些地點，從源頭上避免雷電襲擊。在出現雷電天氣時需要視實際情況及時關閉非必要電子設備，并切除電源。

3 信號設備的防雷要求及措施

3.1 雷電侵入信號設備的主要途徑

（1）經信號電纜侵入。鐵路信號系統中室內設備是通過信號電纜與室外設備連接起來的，雷電從室外電纜侵入，傳輸至室內設備，造成影響。

（2）經信號交流電源系統侵入。雷電侵入高壓線路，隨著高壓線傳至高壓變壓器，并通過變壓器侵入交流低壓電源破壞低壓側的信號設備。

（3）經軌道電路侵入。軌道電路用鋼軌作為傳輸線，安裝在道床上并高出地面，也容易遭受雷擊。

3.2 信號設備防雷的要求和原則

（1）信號設備的基本防雷要求。在有雷電活動的地區，交流電源外線、電子設備、軌道檢查裝置等與外線連接的信號設備必須安裝防雷裝置。

（2）信號設備的防雷原則。防雷裝置與被防護設備間的絕緣應匹配，雷電將感應過電壓限制到被保護的沖擊耐壓水平以下。正常情況下，防雷裝置不應影響被防護設備的工作，受到雷電干擾時，應保證信號設備不得錯誤動作。采用多級防護時，各級防護元件應配置合理。

（3）信號設備防雷元件的安裝要求。室外所用的防雷元件宜安裝在線路終端，安裝要牢固可靠，便于檢測。

3.3 鐵路信號設備的防雷因素分析

鐵路信號設備防雷是個復雜的綜合工程，只靠一兩種防雷措施不可能完全消除雷擊和感應過電流的影響，必須從雷電侵入途徑入手，排除各種不力因素，才能將雷害減少到最低程度。信號設備防雷措施需重點考慮以下幾個因素：

（1）鐵路信號設備占地面積大、分布范圍廣，很多設備分布在山區、曠野等容易遭受雷擊的地區。

（2）鋼軌是雷電電流的良好導體，與鋼軌連接的相關鐵路設備比如信號機，軌道電路，轉轍機等都比較容易受到影響。

（3）自動閉塞、半自動閉塞等信號條件線、控制線在非電氣化區段大都使用架空線，架設于信號與通信混合線路或者自動閉塞高壓信號線路上，它們通常暴露在曠野郊外，在雷雨季節容易遭受雷擊，線路中的大電流會侵入信號機房，從而對室內信號設備造成損壞。

（4）室內防雷的原則是“等電位”，經過等電位連接，使過電壓或者過電流以最直接的路徑盡快流入大地，以達到保護設備的目的。由于機房存在多種接地系統，其沖擊接地電阻不均衡，在發生雷擊時會引起地電位差，也容易造成“地電位反擊”，使人員或設備遭受損害。

3.4 鐵路信號設備的綜合防雷措施

鐵路信號設備綜合防雷措施包括室內防雷和室外防雷兩部分，室內防雷是為了防止感應電侵入信號設備造成損壞；室外防雷則是為了避免建筑物或設備受直接雷擊破壞。

3.4.1 室內防雷原則

（1）安裝過電流保護設備。在鐵路信號設備的入口處串接過電流保護設備，可以有效地防范雷電浪涌的問題，對浪涌電壓形成的過電流進行有效的控制，從而避免電子設備受到過電流的損害。

（2）實施分級保護。外電網引入機房應采取多級雷電防護，在電源線路設置三級防雷保安器。第一級設置在戶外交流電源饋線引入處，目的是將沿電源線路侵入的大部分雷電流通過此級防雷泄放入地；第二級設置在電源屏處，作用是進一步分流殘余雷電流并將雷擊殘壓控制在電源屏設備承受范圍內；第三級設置在計算機終端電源穩壓器或UPS電源前端，將雷擊殘壓降至微電子設備可承受范圍之內。

（3）確保電位均衡連接。在雷電侵入信號設備的時候，會在建筑周圍的地面出現強烈的電流，使電位呈現放射性，形成電位差對信號設備造成危害。因此，應當在電源線、金屬管道、接地線以及信號線等部分裝過電壓保護設備，以達到消除電位差的效果，實現電位均衡連接。

（4）采取光纖傳輸。光纖對于電磁感應具有較強的抗干擾能力，在鐵路信號設備中，可以采取光纖傳輸的方式。比如在設備的接口處，采用數據通信接口，通過光纖傳輸來確保協議通信及時順利地完成，防止雷電的干擾。

3.4.2 室內防雷具體措施

（1）微機系統通信線路防雷。在微機聯鎖、微機監測、DMIS 等系統調制解調器雙絞線上，分別串聯一個雙絞線信息線路保護器。當雷電入侵時，防雷器迅速聯通，建立起雙絞線路與地之間的暫態等電位連接，保護其后的路由器、微機聯鎖、微機監測、DMIS 等系統的通訊口。

（2）微機聯鎖信號線防雷。微機聯鎖的上位機位于微機房，而控制臺顯示器位于行車室，它們的圖像輸入信號端由于線路較長，雷擊很容易造成雷電感應，一旦顯示器遭受雷擊損壞將給行車安全帶來很大影響。所以要在A、B 上位機顯卡輸出口前及顯示器視頻口前分別串接一只視頻口信號防雷器。

（3）信號機電纜防雷。信號機室內外電纜均經由分線盤進行連接，所以在分線盤做好防雷措施，對室內信號設備的保護起到關鍵作用。在室內分線盤信號機的所有去線、回線相應的端子上，加裝防雷器作縱向防護。

（4）軌道電路電纜防雷。軌道電路室內送、受電端分別在分線盤相應端子上加裝防雷器進行橫縱向防護。軌道電路室外送、受電端分別在送、受電端變壓器軌道側安裝防雷器，對軌道電路進行橫向防護。

（5）信號電源系統防雷。在信號防雷開關箱輸入端設置I 級電源防雷箱，在電源屏電源輸入端設置II級防雷箱。

3.4.3 室外防雷原則

（1）設置避雷針。為了避免雷電對鐵路信號設備形成直接性的沖擊，應在信號設備較多的地方設置避雷針。避雷針的地線位置與信號設備的電纜距離在20 m 以上，以對區域內的信號設備形成保護，防止避雷針在直接沖擊下產生電磁感應而影響信號設備。

（2）鋪設接地網。在信號設備的周圍，可以通過鋪設接地網的方式將電流引到地下，防止過電壓影響到信號設備的正常運行。通常情況下接地網通過垂直的方式進行接地，接地網應當與貫通接地線相互連接。

（3）建設防雷塔。如果區域內信號設備較為密集，可以通過防雷塔的方式來避免雷電災害。在鋪設線纜的過程中，要避免出現交叉現象，嚴格控制線纜與防雷塔之間的距離。

3.4.4 室外防雷具體措施

（1）機房建筑物防護和屏蔽。由于機房樓層不高，周圍往往有高大建筑和其他鐵路設備，所以，信號樓的直擊雷防護，安裝避雷針不是理想的辦法。為了抗御直擊雷和降低雷電電磁干擾，信號機械室的建筑物采用法拉第籠進行電磁屏蔽。法拉第籠由機房頂部的避雷針網，避雷帶，引下線和接地系統組成。它能直接攔截雷擊，用作接閃接引雷電流，通過引下線和接地裝置引入大地中泄放，保護建筑內設備免收雷害。

（2）室外信號設備防護和屏蔽。室外設備設置防雷元件和防雷地線，信號箱、盒等設備應具有良好的電氣貫通和電磁屏蔽性能，箱盒內部設專用的接地端子。箱盒必須接地良好，進入箱盒內部的電源線、信號線應采用屏蔽電纜埋地敷設，屏蔽電纜的金屬屏蔽層或鋼帶要接地。

4 結束語

綜上所述，隨著中國鐵路的高速發展，鐵路信號設備在雷雨季節能否安全穩定的運行，對確保穩定有序和運行高效的運輸組織有著極為重要的影響。只要在工程建設階段全面分析雷害的可能途徑和影響，細化制定信號設備的綜合防雷措施并嚴格執行，保證施做質量，就一定能確保室內、室外信號設備得到較好的防雷保護。