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【摘要】随着铁路信号设备向数字化、网络化、智能化和综合化方向发展，大规模集成电路和低耐压器件在信号设备中大量使用，雷电所带来的危害越来越大，对雷电的防护已成为保证铁路安全运输的重要问题。本文分析了雷电的危害，探讨了防雷原则，设计及防护措施。
【关键词】铁路 信号 雷电 防护
中图分类号： F530 文献标识码： A
随着时代的发展, 铁路站场的电气设备也越来越先进。当发生雷击时, 雷击放电诱发雷击电磁脉冲过电压和过电流, 会对铁路的信号设备造成严重的破坏, 产生巨大的损失, 而直接威胁着铁路的正常安全运转。所以, 雷电防护也是铁路部门的首要任务。
一、雷电危害影响途径
为更好的掌握铁路信号设备的防雷设计,首先应了解雷电影响铁路信号设备的途径。在雷暴活动区域内,雷电直接通过建筑物构架、信号传输线路、钢轨对地放电所产生的电击现象, 即直接雷击。直击雷害发生概率较低, 微电子设备抗直击雷能力也很低。除去直击雷危害外, 一般为感应雷击危害。当雷电直击在装置有信号设备的建筑物或击在装置有信号设备的场所附近的构筑物、地面突出物或大地时,雷电电磁脉冲将在信号系统内产生过电压和过电流,这是雷电对铁路信号设备主要的影响途径。感应雷是雷电在雷云之间或雷云对地放电时,在附近的户外传输信号线路(如信号电缆线)、埋地电力线、设备间连接产生电磁感应并侵入设备,使串联在线路或终端的电子设备遭到损害。雷电冲击波向信号设备供电的电源系统侵入,侵入高压线传至高压变压器,若该变压器未装避雷器或避雷器失效,雷电波幅值又较大,就会击穿变压器初级、次级绕组间绝缘。这样数百千伏的雷电压就会直接侵入交流低压电源,严重破坏低压侧的信号设备。向信号设备的轨道电路侵入,轨道电路用钢轨作为传输线,它一般高出地面,有的铁路旁有高山、树木,有的是大桥, 也容易遭雷击。雷电浪涌是近年来由于微电子设备(如计算机联锁设备)的不断应用而引起人们极大重视的一种雷电危害形式,同时其防护方式也不断完善。
二、防雷原则
雷电、电力故障以及操作瞬间产生的过电压对微电子设备造成危害的概率很高，后果严重。已经大量运用微电子设备的铁道信号系统应归类于弱电设备。以往的防护体系已不能满足微电子设备构成的网络系统对安全提出的要求。因此，铁道信号设备防雷也应从单一维防护转为三维防护，包括：防直击雷、防感应雷电波侵入、防雷电电磁感应、防地电位反击以及操作瞬间过电压影响等多方面作系统综合考虑。
从EMC（电磁兼容）的观点来看，防雷保护由外到内应划分为多级保护区。最外层为0级，是直接雷击区域，危险性最高，主要是由外部（建筑）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、钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层而形成，从0级保护区到最内层保护区，必须实行分层多级保护，从而将过电压降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，钢轨和信号电缆等）。
按照防护范围可将弱电设备的防雷分为两类：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，可采用避雷针、分流、屏蔽网、均衡电位、接地等措施。这种防护措施人们比较重视，比较常见，相对来说比较完善。内部防护是指在建筑物内部弱电设备对过电压（雷电或电源系统内部过电压）的防护，其措施有：等电位联结、屏蔽、保护隔离、合理布线和设置过电压保护器等措施，这种措施相对来说是比较新的办法，也不够完善。针对弱电设备防雷的特性机理，对雷电浪涌及地电位差的防护进行探讨。
三、防雷设计分析
1、直击雷防护- 避雷针
对于直击雷防护一般采用避雷针防护。普通避雷针，通常为一根铁棒，将端部磨尖，通过接地引下线将地电位（通常认为零电位） 引至针尖，利用针尖的高度（比被保护物高出许多），比被保护物优先产生上行先导，与雷云的下行先导相遇，从而达到引雷入地的效果，保护其它建筑物免受雷击的侵害。预放电型避雷针利用了雷云产生的空间电场强度，预先使周围的空气电离，空气离子在空间电场的作用下加速接近雷云，从而使迎面先导提前与雷云的下行先导相遇，使得引雷的可靠性和半径提高，增强了保护性能。
2、雷击电磁脉冲防护- 防雷器
应用新型高能量密度的石墨电极材料。采用多电极堆，保证可控制的能量分配，并联电容控制对模块达到低残压水平。密封设计，安装方式没有限制，无电弧外泄，无须使用大体积的隔离金属箱。无需断电，所有模块都可取下检测和更换。安装简单，支持凯文接线，N/PE 端的隧道式连接，免除调线的繁琐。容通电流大，反应速度快，插入损耗小。采用NPE 模块的防雷器可在电网出现故障时，即使在地阻值高或地线连接不良的情况下，流经防雷器的电流可使前级保险丝脱逃，防雷器与电网隔离，防止防雷器损坏。
四、对铁路站场雷电防护的分析
铁路站场设备遭受过电压和过电流攻击的途径可分为直击雷、感应雷、传导雷、操作过电压4 种。结合站场设备的分布特点及雷电攻击的途径类型，铁路站场雷电防护存在以下特点：
铁路站场占地面积较大，站场主要设备（如数字微波通信、车站数字通信分系统、站场广播机、无线列调通信、平面调车通信、信号微机联锁等设备）集中在信号楼、通信楼。信号楼、通信楼的避雷针应能满足对整个信号楼、通信楼区域的保护，有效防止直击雷的袭击;铁路道轨是接受直击雷和传导雷感应雷的良好导体。与道轨连接的相关铁路信号设备，如信号机、轨道电路箱、道岔电动转辙机等，将受到雷击的严重威胁;信号楼微机联锁及通信机房、通讯楼通讯机房等重要区域的户外线路可能遭受到直击雷后，线路中的大电流串入各机房内部，从而引起对内部设备的损坏。当雷雨云之间、雷雨云对大地之间放电时雷闪电流的高频电磁场对暴露在空间或室内的电源线、信号线、数据线上产生远远超过设备抗电强度的感应雷击过电压，使设备损坏;雷电防护的原则是“等电位”。由于机房存在多类接地系统，其冲击接地电阻不均衡，在雷击发生时，雷电流引起地电位差，造成“地电位反击”，使人员和设备遭受损害;操作过电压引起的危害，如储藏设备的开关、输电线路的短路、周围大容量设备运行时产生的工业干扰或操作过电压在电源线上会产生5000-6000V，3kA 的浪涌过电压及浪涌电流，它们的窜入也会对信号楼、通信楼内的设备产生很大的破坏。
五、安装防雷保安器
铁道行业标准T B/ T 3074-2003《铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》和T B 10007-99 《铁路信号设计规范》规定, 所有与外线或钢轨连接的含电子器件的信号设备, 在线路与设备的端口处应当装设专用防雷保安器( 也称防雷单元, 它是浪涌保護器SPD 的一种, 可以限制瞬态过压以及分流浪涌电流, 并至少包含1 个非线性元件) 。一般可对电源从室外进入室内的界面做第1 级粗防护, 泄放大部分雷电流; 在机房电源, 即电源屏等前做第2 级粗防护或细防护; 最后对用电设备, 在U PS前做第3 级细防护。由于第3 级细防护的保护对象直接是信号设备电源, 因此要求细防护保安器在雷击时残压较低, TB/ T 3074-2003 规定, 在实验室用3kA, 8/ 20Ls 波形测试时应小于500V。由于空气间隙、气体放电管并联在电源线后, 在雷击时会产生续流, 导致电源短路; 单纯压敏电阻器并联在电源线后, 由于电源正向波动时会出现劣化, 导致电源短路, 因此无人执守的机房和区间信号设备的电源防雷器, 不得单独使用空气间隙、气体放电管、压敏电阻器等元件。原则上, 信号电缆与信号设备的界面应当都设置防雷保安器。由于车站信号设备的进线很多, 建议在电缆进入信号楼时, 设置防雷柜集中防护, 以便维护、更换和有问题时查找故障。防雷柜中的防雷保安器可以采用单级或多级, 最后的残压应当限制在被保护信号设备端口的耐过电压水平以下。ITU-T K20 和K21 建议, 有条件的信号设备本身应当在内部设置防雷单元, 以增加信号设备本身的抗扰度。防雷保安器接入信号系统后, 不得改变原信号系统的性能, 不得影响被防护设备的工作, 受雷电电磁脉冲干扰时, 应保证信号设备不得造成进路错误解锁、道岔错误转换、信号错误开放等。
结论
总之, 防雷接地对铁路通信信号设备来说是一个永恒的话题, 接地系统的正确与否直接关系到信号设备和人身的安全以及整个运输部的安全运输生产。所以铁路信号设备的防雷是重中之重, 设计信号防雷接地要严格按照国际、国内相关技术的发展以及国际、国家和信息产业部的有关设计规范, 安装良好的, 附合标准的拉地体, 以保证铁路信号设备的安全正常运行, 保证铁路站场的安全运输生产。
【参考文献】
[1] 李景春. 浅谈铁路信号防雷施工[J]. 铁道通信信号. 2007，第1期，71-72页.
[2] 解志军. 浅谈信号产品雷电防护[J]. 铁路通信信号工程技术. 2006,第6期，23-24页.
【关键词】铁路 信号 雷电 防护
中图分类号： F530 文献标识码： A
随着时代的发展, 铁路站场的电气设备也越来越先进。当发生雷击时, 雷击放电诱发雷击电磁脉冲过电压和过电流, 会对铁路的信号设备造成严重的破坏, 产生巨大的损失, 而直接威胁着铁路的正常安全运转。所以, 雷电防护也是铁路部门的首要任务。
一、雷电危害影响途径
为更好的掌握铁路信号设备的防雷设计,首先应了解雷电影响铁路信号设备的途径。在雷暴活动区域内,雷电直接通过建筑物构架、信号传输线路、钢轨对地放电所产生的电击现象, 即直接雷击。直击雷害发生概率较低, 微电子设备抗直击雷能力也很低。除去直击雷危害外, 一般为感应雷击危害。当雷电直击在装置有信号设备的建筑物或击在装置有信号设备的场所附近的构筑物、地面突出物或大地时,雷电电磁脉冲将在信号系统内产生过电压和过电流,这是雷电对铁路信号设备主要的影响途径。感应雷是雷电在雷云之间或雷云对地放电时,在附近的户外传输信号线路(如信号电缆线)、埋地电力线、设备间连接产生电磁感应并侵入设备,使串联在线路或终端的电子设备遭到损害。雷电冲击波向信号设备供电的电源系统侵入,侵入高压线传至高压变压器,若该变压器未装避雷器或避雷器失效,雷电波幅值又较大,就会击穿变压器初级、次级绕组间绝缘。这样数百千伏的雷电压就会直接侵入交流低压电源,严重破坏低压侧的信号设备。向信号设备的轨道电路侵入,轨道电路用钢轨作为传输线,它一般高出地面,有的铁路旁有高山、树木,有的是大桥, 也容易遭雷击。雷电浪涌是近年来由于微电子设备(如计算机联锁设备)的不断应用而引起人们极大重视的一种雷电危害形式,同时其防护方式也不断完善。
二、防雷原则
雷电、电力故障以及操作瞬间产生的过电压对微电子设备造成危害的概率很高，后果严重。已经大量运用微电子设备的铁道信号系统应归类于弱电设备。以往的防护体系已不能满足微电子设备构成的网络系统对安全提出的要求。因此，铁道信号设备防雷也应从单一维防护转为三维防护，包括：防直击雷、防感应雷电波侵入、防雷电电磁感应、防地电位反击以及操作瞬间过电压影响等多方面作系统综合考虑。
从EMC（电磁兼容）的观点来看，防雷保护由外到内应划分为多级保护区。最外层为0级，是直接雷击区域，危险性最高，主要是由外部（建筑）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、钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层而形成，从0级保护区到最内层保护区，必须实行分层多级保护，从而将过电压降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，钢轨和信号电缆等）。
按照防护范围可将弱电设备的防雷分为两类：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，可采用避雷针、分流、屏蔽网、均衡电位、接地等措施。这种防护措施人们比较重视，比较常见，相对来说比较完善。内部防护是指在建筑物内部弱电设备对过电压（雷电或电源系统内部过电压）的防护，其措施有：等电位联结、屏蔽、保护隔离、合理布线和设置过电压保护器等措施，这种措施相对来说是比较新的办法，也不够完善。针对弱电设备防雷的特性机理，对雷电浪涌及地电位差的防护进行探讨。
三、防雷设计分析
1、直击雷防护- 避雷针
对于直击雷防护一般采用避雷针防护。普通避雷针，通常为一根铁棒，将端部磨尖，通过接地引下线将地电位（通常认为零电位） 引至针尖，利用针尖的高度（比被保护物高出许多），比被保护物优先产生上行先导，与雷云的下行先导相遇，从而达到引雷入地的效果，保护其它建筑物免受雷击的侵害。预放电型避雷针利用了雷云产生的空间电场强度，预先使周围的空气电离，空气离子在空间电场的作用下加速接近雷云，从而使迎面先导提前与雷云的下行先导相遇，使得引雷的可靠性和半径提高，增强了保护性能。
2、雷击电磁脉冲防护- 防雷器
应用新型高能量密度的石墨电极材料。采用多电极堆，保证可控制的能量分配，并联电容控制对模块达到低残压水平。密封设计，安装方式没有限制，无电弧外泄，无须使用大体积的隔离金属箱。无需断电，所有模块都可取下检测和更换。安装简单，支持凯文接线，N/PE 端的隧道式连接，免除调线的繁琐。容通电流大，反应速度快，插入损耗小。采用NPE 模块的防雷器可在电网出现故障时，即使在地阻值高或地线连接不良的情况下，流经防雷器的电流可使前级保险丝脱逃，防雷器与电网隔离，防止防雷器损坏。
四、对铁路站场雷电防护的分析
铁路站场设备遭受过电压和过电流攻击的途径可分为直击雷、感应雷、传导雷、操作过电压4 种。结合站场设备的分布特点及雷电攻击的途径类型，铁路站场雷电防护存在以下特点：
铁路站场占地面积较大，站场主要设备（如数字微波通信、车站数字通信分系统、站场广播机、无线列调通信、平面调车通信、信号微机联锁等设备）集中在信号楼、通信楼。信号楼、通信楼的避雷针应能满足对整个信号楼、通信楼区域的保护，有效防止直击雷的袭击;铁路道轨是接受直击雷和传导雷感应雷的良好导体。与道轨连接的相关铁路信号设备，如信号机、轨道电路箱、道岔电动转辙机等，将受到雷击的严重威胁;信号楼微机联锁及通信机房、通讯楼通讯机房等重要区域的户外线路可能遭受到直击雷后，线路中的大电流串入各机房内部，从而引起对内部设备的损坏。当雷雨云之间、雷雨云对大地之间放电时雷闪电流的高频电磁场对暴露在空间或室内的电源线、信号线、数据线上产生远远超过设备抗电强度的感应雷击过电压，使设备损坏;雷电防护的原则是“等电位”。由于机房存在多类接地系统，其冲击接地电阻不均衡，在雷击发生时，雷电流引起地电位差，造成“地电位反击”，使人员和设备遭受损害;操作过电压引起的危害，如储藏设备的开关、输电线路的短路、周围大容量设备运行时产生的工业干扰或操作过电压在电源线上会产生5000-6000V，3kA 的浪涌过电压及浪涌电流，它们的窜入也会对信号楼、通信楼内的设备产生很大的破坏。
五、安装防雷保安器
铁道行业标准T B/ T 3074-2003《铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》和T B 10007-99 《铁路信号设计规范》规定, 所有与外线或钢轨连接的含电子器件的信号设备, 在线路与设备的端口处应当装设专用防雷保安器( 也称防雷单元, 它是浪涌保護器SPD 的一种, 可以限制瞬态过压以及分流浪涌电流, 并至少包含1 个非线性元件) 。一般可对电源从室外进入室内的界面做第1 级粗防护, 泄放大部分雷电流; 在机房电源, 即电源屏等前做第2 级粗防护或细防护; 最后对用电设备, 在U PS前做第3 级细防护。由于第3 级细防护的保护对象直接是信号设备电源, 因此要求细防护保安器在雷击时残压较低, TB/ T 3074-2003 规定, 在实验室用3kA, 8/ 20Ls 波形测试时应小于500V。由于空气间隙、气体放电管并联在电源线后, 在雷击时会产生续流, 导致电源短路; 单纯压敏电阻器并联在电源线后, 由于电源正向波动时会出现劣化, 导致电源短路, 因此无人执守的机房和区间信号设备的电源防雷器, 不得单独使用空气间隙、气体放电管、压敏电阻器等元件。原则上, 信号电缆与信号设备的界面应当都设置防雷保安器。由于车站信号设备的进线很多, 建议在电缆进入信号楼时, 设置防雷柜集中防护, 以便维护、更换和有问题时查找故障。防雷柜中的防雷保安器可以采用单级或多级, 最后的残压应当限制在被保护信号设备端口的耐过电压水平以下。ITU-T K20 和K21 建议, 有条件的信号设备本身应当在内部设置防雷单元, 以增加信号设备本身的抗扰度。防雷保安器接入信号系统后, 不得改变原信号系统的性能, 不得影响被防护设备的工作, 受雷电电磁脉冲干扰时, 应保证信号设备不得造成进路错误解锁、道岔错误转换、信号错误开放等。
结论
总之, 防雷接地对铁路通信信号设备来说是一个永恒的话题, 接地系统的正确与否直接关系到信号设备和人身的安全以及整个运输部的安全运输生产。所以铁路信号设备的防雷是重中之重, 设计信号防雷接地要严格按照国际、国内相关技术的发展以及国际、国家和信息产业部的有关设计规范, 安装良好的, 附合标准的拉地体, 以保证铁路信号设备的安全正常运行, 保证铁路站场的安全运输生产。
【参考文献】
[1] 李景春. 浅谈铁路信号防雷施工[J]. 铁道通信信号. 2007，第1期，71-72页.
[2] 解志军. 浅谈信号产品雷电防护[J]. 铁路通信信号工程技术. 2006,第6期，23-24页.