铁路信号设备的雷电危害及保护探讨Word下载.docx
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由于我站是在2005年开通使用的设备，05年施工的铁路信号防雷一直是参照前苏联的标准和模式，按照不同专业分别设置设备工作地线、安全地线、防雷保护地线等装置，并且接地电阻的要求各不相同，工作地的要求4欧左右，电源地和防雷保护地10欧左右，接地体有三个，相互之间的距离大概20米左右，这样的设置造成了接地体分散，相互接地体之间存在地电位差。
无避雷网、引下线、接地体、等电位连接等防雷设施均不规范，这样的防雷保护同综合防雷保护相比确实差了很多。
综合防雷采用多层保护，接地电阻要求1欧姆以下，1欧姆以下的接地电阻，能有效保证防雷系统泄流畅通无阻。
3.雷电防护基本概念
3.1雷电现象
雷电是雷云之间或雷云对地面放电的一种自然现象。
大多数的雷电放电都是在雷云与雷云之间进行的，只有少数是对地进行的，相对雷云之间放电而言，雷云对地的放电对地面电子设备和物体危害性较大。
雷云对地放电过程分三个阶段，分别为先导放电阶段、主放电阶段、余辉阶段。
3.2雷电的分类
根据雷电侵入建筑物或建筑物内的电气电子设备的方式，雷电的种类可分为直接雷、雷电电磁脉冲感应、雷电波侵入及球雷四种。
3.2.1直击雷
雷云直接向大地物体放电的现象，遭受直击雷时，被击物体产生很高的过电压，对室外设备、架空线及建筑物产生极大的危害。
而建筑物室内的电子设备一般不会遭到直击雷。
3.2.2雷电电磁脉冲感应
就是由雷电的强大电场和磁场变化产生的静电感应和电磁感应现象。
当建筑物遭受直击雷时，都会在建筑物内金属上感应出过电压和过电流。
3.2.3雷电波侵入
雷电脉冲的感应在金属导体上产生的过电流、过电压侵入的方式叫雷电波侵入。
雷电波的侵入会危及人身安全或损坏电子设备。
3.2.4球雷
球雷是一个炽热的等离子体，能伤害人身和破坏物体引起严重后果。
3.3雷电特性
雷电具有优先选择打击较高建筑物或目标向大地放电的特性，从雷电防护的效果来看，具有金属包层和金属顶并且全导电的建筑物是一种理想的结构，对于其中的电子设备来说，它相当于一个屏蔽间的效果。
许多钢结构或钢筋混凝土结构的建筑物具有类似的金属包层的理想效果，由于金属包层和金属顶已合理地整体连接，当雷击该建筑物时，雷电流将遍布整个金属表层并泄入大地。
实际上，雷电是电磁脉冲，遵循电磁波的传输规律，当其流过金属导体时有集肤效应，因此雷电流沿金属外沿流入地下时，影响传输的主要是径路的电感，而不是电阻。
在钢框架或钢筋混凝土建筑结构中的电流基于集肤效应的原理，都同样会表现出优先流向外层导体的特性。
因此，建筑物的外层若有大量的接地导体等防雷装置，就可大大减小雷电所引起的建筑物内部磁场，同时减少雷电流入地时的地电位上升数值，有效地减少建筑物内部电子设备受到瞬态干扰的危险。
3.4雷电危害
雷云对地放电，能够对地面上的建筑物和设施带来严重危害。
直接破坏作用主要表现为雷电引起的热效应、机械效应和冲击波等；
间接破坏作用主要表现为雷电产生的静电感应、电磁感应和暂态过电压等；
雷电的静电感应与电磁感应所产生暂态过电压比直接破坏作用危害的范围更大，它能够损坏建筑物内耐过压能力较小的电气设备和电子设备系统。
建筑物内电气电子设备的防雷，主要考虑雷电电磁脉冲的损害。
4.防雷的主要遵循原则
铁路信号设备防雷逐步随着社会的进步和设备的更新从单一的防护转为三维防护，把一直参考前苏联的防护模式向欧洲的防护模式转变，把按不同专业分别设置工作地线、安全地线、雷电防护地线的模式，通过借鉴法国铁路综合接地、信号防雷和电磁兼容等方面的经验和设计思路。
对铁路信号设备采取综合防雷措施，包括防直击雷、防感应雷电波侵入和防雷电电磁感应等
按照防护范围可将弱电设备的防护措施分为两类，外部防护和内部防护。
外部防护是指对安装弱电设备的建筑物本体的安全防护，主要采用避雷针、分流屏蔽网、均衡电位、接地等措施。
内部防护是指在建筑物内部弱电设备对过电压的防护，其措施有：
等电位连接、屏蔽、保护隔离、合理布线和设置过电压保护器等措施。
从电磁兼容的观点来看，防雷保护由内到外应划分多级保护区。
最外层为0级，是直击雷击区域，危险性最高，主要是外部防雷系统保护，越往里则危险程度越低。
保护区的界面划分主要通过防雷系统、钢筋混泥土及金属管道等构成的屏蔽层形成，从0级保护区到最内层保护区，必须实行多级保护，从而将过电压降低到设备能承受的水平。
一般而言，雷电流经传统避雷装置后约有50%是直接泄入大地，还有50%将平均流入各电气通道（如电源线、信号线和建筑内金属物等）。
简言之，铁路信号设备的防护基本原理是合理有效地疏导雷电对建筑物的能量；
改善设备房屋电磁兼容环境条件；
分区、分级设置防雷措施；
采取良好接地措施并实现区域等电位接地，从而减少雷电对信号设备的危害。
5.铁路信号电磁兼容综合防雷基本原理
5.1改善电磁兼容环境条件
为了降低雷电电磁干扰，信号综合防雷应用法拉第笼电磁屏蔽原理，第一层屏蔽网由防直击雷的屋顶避雷带、避雷网、引下线和共用接地系统构成；
第二层由电子设备机房墙面、天花板、地面设置的屏蔽网或屏蔽板组成；
第三层由设备的金属机构构成。
由此三层屏蔽网有效改善信号设备电磁兼容的环境条件，同时进一步合理优化设备之间的布线，并在室内设置了系统等电位汇集线，为系统设备的接地提供便利条件。
5.2分区、分级设置防雷单元
车站信号设备综合防雷系统根据信号设备所处的防雷区和位置以及抗过电压、抗过电流的能力，采取多种防护措施，分区、分级设置防雷单元，使信号设备对雷电有系统防护能力。
5.3采取良好接地措施
接地是防雷系统的关键之一，传统的信号系统接地都是采取分散实施。
综合防雷系统尽量利用了建筑物基础这个具有良好接地效果的自然接地体，并配置比原来独立接地体更大的环形接地体，形成一个对雷电流泄放通畅，地电位抬升有限的地网，大大提高了信号防雷系统的接地效果，接地体要求接地电阻值小于等于1欧姆，有效保证了接地体的可靠良好性。
同现在企业控制系统的接地电阻小于4欧姆的要求，又提出了更高的指标要求。
6.铁路信号综合防雷系统的构成
铁路信号综合防雷系统由设备建筑物外部防雷措施、内部防雷措施构成。
其中外部防雷设施由闪接器（避雷带、避雷网）、引下线、公用接地系统等组成；
内部防雷设施由室外电缆进户屏蔽、信号电子设备机房法拉第笼、布线、室内等电位连接、共用接地系统、安装防雷单元等组成。
6.1外部雷电防护措施是指抵御直击雷所设置的装置，包含接闪器、引下线、接地体。
主要由建筑物顶部的避雷带、避雷网、环形接地装置构成的共用接地系统共同组成信号设备建筑物外部雷电防护系统，同时也是一个具有初级电磁屏蔽功能的法拉第笼屏蔽网。
6.2内部雷电防护措施是指为防护雷电流产生的电磁伤害效应所设置的装置，包括电子设备机房法拉第笼、室外电缆进户屏蔽、合理布线、等电位连接、共用接地系统和安装防雷单元。
对敏感脆弱的微电子设备集中的计算机室，采用镀锌铁板或圆钢网格建立一个法拉第笼，作为内层进一步的电磁屏蔽；
引入室内的电缆，在进户入口处进行屏蔽层接地处理；
在室内将安全保护地线、电源防雷地线、分线盘防雷地线、电缆屏蔽地线、电子设备机房屏蔽地线分别引出接到环形接地装置上。
接地汇集线是共用接地系统向建筑物内部的延伸，所有功能性接地汇集线都与环形接地装置连接，实现共地不共线。
为减少接地会集线间的相互影响，接地汇集线间的距离必须满足规定的最小值。
同时接地汇集线不能与任何导线成环，即平时只能有电压，不准有电流。
根据雷电瞬间电位升高的侵袭通道，按照分区分级的原则，分别在分界面处，多级设置各种防雷单元形成瞬态等电位系统，具体在电力电源引入信号电源室的前端，设置一级电源防雷设备；
在电源室内的配电盘处，加装二级电源防雷箱；
在计算机系统UPS电源前端加装三级电源防雷；
在信号室室外电缆引入处，集中设置防雷分线柜；
在电子设备各电子系统设备内，加装通道防雷单元。
6.3室外设备防雷及接地。
室外包含信号设备的箱、盒、柜等金属壳体应该具有良好的电气贯通和电磁屏蔽性能，在壳体内设置专用的接地端子；
室外信号设备的金属壳体必须接地，进出箱、盒的电源线、信号线应采用屏蔽电缆。
若为非屏蔽电缆，必须穿钢管埋地敷设，屏蔽电缆的金属屏蔽层或钢管应接地。
7.针对存在的问题提出的技改措施
7.1针对既有信号楼顶未采取直击雷防护的缺陷，采取对信号楼顶增设避雷网、避雷带和引下线的措施。
相关要求：
（1）敷设避雷网采用40mmx4mm热镀锌扁钢，厚度20-60um制作。
网格不小于3mx3m，每隔3m与避雷带焊接联通；
（2）敷设避雷带采用直径不小于Φ8mm热镀锌圆钢沿屋顶周边设置一圈，距墙体高度0.15m，避雷带支撑柱均匀设置，间距不大于1m；
（3）敷设引下线采用40mmx4mm热镀锌扁钢，间距小于2m，沿信号楼外墙均匀垂直敷设4-6根，安装平直。
上端同避雷带、避雷网焊接连接，下端同接地系统焊接连接。
7.2针对既有信号楼机房未采取电磁干扰防护的缺陷，采取对信号楼机房增设屏蔽层的措施。
（1）采用铁板或铝板做电磁屏蔽材料，板材厚度应不小于0.6mm，沿内墙面设置屏蔽层；
（2）门窗屏蔽采用截面积不小于3mm2、，网孔小于80mmx80mm的合金网，并用不小于16mm2的软铜线与地网或屏蔽层可靠连接；
（3）屏蔽层要求在引下线与地网连接处用不小于25mm2的软铜线可靠多点连接；
（4）机房静电地板的金属支架相互可靠连接，在金属支架底部采用0.1mmx20mm铜箔带构成与支架一致的网格，铜箔带交叉处用锡可靠焊接；
（5）相互连接的金属支架和机柜采用10mm2的铜箔带与地网或屏蔽层连接，至少4处，铜带一端加线鼻后与地网或屏蔽层栓接。
7.3针对既有接地体分散设置的缺陷，采取对接地体统一设置，废除老的接地系统的措施。
（1）在既有信号楼四周增设环形接地网，接地网直接与信号楼基础连接；
（2）信号各设备应设的安全地线、屏蔽地线、防雷地线、保安器地线、防静电地板地线、微机地线均引入共用接地系统的地网；
（3）所有接地导线上严禁设置开关、熔断器或断路器；
（4）根据TB/T3074-2003要求，其共用接地系统接地体的电阻值应小于1欧姆；
（5）接地体距既有信号楼外墙间距不小于1米，埋深不小于0.7米；
（6）水平接地体采用40mmx4mm热镀锌扁钢敷设，垂直接地体采用金属角钢和石墨地极，长度不小于1.5米-2.5米，截面积不小于50mmx50mmx5mm，信号楼的四角主筋必须与环形接地装置焊接可靠。
7.4针对既有信号楼各室内未设等电位连接装置的缺陷，采取对电源室、微机室、操作室增设室内均压环连接装置的措施。
7.4.1在电源室、微机室、操作室沿墙角壁贴角线上方，敷设一圈环形等电位均压环，材料采用30mmx3mm紫铜排，不得构成闭合回路；
7.4.2电源室内电源引入处的接地汇集线应独立设置，并分别用通截面积不小于50mm2、的绝缘铜导线与室外地网单点冗余连接；
（3）室内走线架、组合架、电源屏、控制台、机柜等所有室内设备必须与墙体绝缘，其安全地线、防雷地线、工作地线等必须以最短距离分别就近与均压环连接；
（4）室内同一排各金属机架间用大于10mm2、多股铜导线栓接后再用不小于50mm2、有绝缘外护套的多股铜线就近与接地汇集线连接，控制台、继电器组合架、计算机柜的接地汇集线与总接地汇接线单点连接。
7.5针对既有信号设备进入室内机房的信号传输线未设防雷保安器的缺陷，采取对进入信号室内传输线缆上增设防雷保安器的措施。
（1）在室内分线盘端对所有信号外线、轨道电路外线、道岔控制外线、预告信号、进站信号、发车信号所有去、回线对应端子上加装一个BVBSLP275VB防雷器作纵向防护；
（2）在灯丝报警、闭塞线路、方向电源外线对应端子上每线加装一个BVBSLP75VB防雷器作纵向防护；
（3）在室外轨道电路发送和接收端靠钢轨低压侧线间安装BVBSLP75VB防雷器作纵向防护；
（4）对每个咽喉向室外送电电源线路，在内分盘对应端子上增设BVBSLP275VB进行纵向防护；
（5）在区间闭塞外线加装BVBSLP130VB防雷器作纵向防护。
7.6针对室内既有信号设备之间的连接接口未设防雷保安器的缺陷，采取对相互间的传输缆线增设相应防雷保安器的措施。
（1）在用于联网远程传送微机联锁数据，微机检测系统数据或DMIS系统数据的端口分别增设一个其雷电波冲击电流为5KA，响应时间小于等于100ns的信息线路保护器（BVBRJ45/11-Tele/4）；
（2）在室内计算机数据通讯接口分别增设一个其雷电波冲击电流为5KA,响应时间小于等于100ns的信息线路保护器（BVBRJ45/11-Tele/4）；
（3）在联锁机的上位机与操作室远端显示器输出口前分别增设一只BVBDL-RS/VD15-11视频口信号防雷器；
（3）在微机室网络集线器端口增设一个型号为DL-100ETHUTP16P以太网信号防雷器；
（4）在室内接口架与联锁机32位针式端子上根据传输信号电压的不同分别增设CLSA-6、CLSA-12、CLSA-24、CLSA-48、CLSA-TLF、CLSA-TLF10防雷器，为保护采集驱动板提供可靠保证。
总之，雷电活动是一种复杂的大自然现象，目前没有哪种防雷措施，能够起到绝对防雷作用，即使比较成熟的防雷措施，也只能是相对降低雷害概率，减少设备遭受雷击的频率次数。
铁路信号设备遭受雷电的影响是多方面的，既有直接雷击，又有从电源电缆、信号电缆、通讯电缆等侵入的雷电电磁脉冲，还有在建筑物附近落雷形成的电磁场感应，防雷保护可以说是一个系统工程，雷电防护的技术措施也在不断更新发展。
为大幅度降低或消除信号设备雷害事故，只有在实践中探索，不断积累运行经验，逐步完善信号设备的防雷措施，大胆使用更有效的防雷新技术，才能有效预防雷害。
据铁道部运输局资料统计数据，在2005年至2007年的三年中，全路信号设备因雷害引起的故障分别是765件、650件和310件。
由此，可以看出雷害引起的信号设备故障呈下降趋势，就是因为国铁从2006年开始按照铁运〔2006〕26号文在全路实施综合防雷系统专项整治所取得的成果。
同时也充分证明，对铁路信号设备采取综合防雷措施，可有效降低雷电对电子设备造成的损害程度，可减少被保护的信号系统设备遭受雷击损害的风险。
参考文献：
（1）铁路综合接地和信号设备防雷系统工程设计指南
（2）铁路车站信号
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