铁路信号设备的雷电综合防护体系

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  【摘 要】 本文主要围绕着铁路信号设备展开分析,论述了雷电的的主要种类,针对铁路信号设备雷电综合防护问题展开深入分析,提出了构建有效防护体系的一些有效的对策。
  【关键词】 信号设备;雷电;综合防护体系
  一、前言
  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,雷害多发地段就是微电子设备和微电子设备集中的区段,随着科技的发展,电子设备越来越多地应用于铁路信号系统,所以铁路信号设备的雷电综合防护体系就显得非常的重要。
  二、雷电的种类
  雷电是夏季经常出现的一种天气现象,雷电以其巨大的破坏力给人类社会带来了惨重的灾难,尤其是近几年来,雷电灾害频繁发生,对国民经济造成的危害日趋严重。雷电是指一带电的云层与另一带异种电荷的云层,或者是带电的云层对大地之间迅猛的放电。一般在高湿闷热的天气里,地面的气温变化不均,使带有大量水蒸气的空气强烈上升,其水珠会快速分裂成水滴,并带上电荷。云层中带正负电荷的水滴在重力和气流的等作用下,上下移动相互摩擦,致使正、负电荷不断地产生,同时也在不断地复合,使云层的电场强度逐渐加强,极化加剧。当雷云中的电荷聚积一定程度时形成极强的电场,就会发生强烈的放电现象。
  1、直击雷。带电的云层对大地上的某一点直接放电,称为直击雷。它的破坏力是很大的,若不能将其迅速泻放入大地,将导致放电通道内的物体、建筑物、设施、人畜遭受严重的破坏,以及火灾和电子电气系统摧毁。在克服直击雷的危害中,信号机械室的建筑物采用法拉第笼进行电磁屏蔽。(法拉第笼由屋顶避雷网、避雷带、引下线和接地系统构成。)信号设备设安全地线、屏蔽地线和防雷地线,这些地线均由共用接地系统的地网引出;室内信号设备的接地装置构成网状;接地导线上不设开关、熔断器或断路器。室外信号设备的金属箱、盒壳体必须接地,屏蔽电缆的金属屏蔽层也接地。这样就可以有效、及时地把雷电迅速的释放到大地中,保护信号设备少受损害。
  2、感应雷。感应雷则是在云层与云层之间发生放电释放电荷,不直接对地放电,在电源和数据传输线路及金属管道金属支架上产生感应过电压。过电压以电气浪涌的方式危及电子设备,包括破坏印刷电路印制线、元件和绝缘过早老化寿命缩短、破坏数据库或使软件误操作,使一些控制元件失控。
  三、雷电对铁路影响的类型
  1、电磁脉冲。当雷电直击装置有信号设备的建筑物、装有信号装备的场所附近的建筑物以及地面高耸物,那么雷电电磁脉冲则会在信号体系内产生过电流以及过电压。
  2、电磁感应。感应雷的概念是指雷电在雷云之间或者雷云在放电之时,在临近的户外传输信号线路信号电缆线、埋地电力线、设备间连接则会有电磁感应同时侵入设备,这样的话串联在线路或终端的电子设备有损害。
  3、冲击波。这是侵入到信号设备供电的电源系统,侵入高压线传至高压变压器之内,如果该变压器没有防雷装备或者防雷装备失效,同时雷电的波幅的数值又偏大,那么变压器初级、次级绕组间绝缘就被击穿。如此的话数百千伏的雷电压就会直接入侵到交流低压电源,同时这将会及其严重的破坏低压侧的信号设备。如果冲击波电压幅度不高,不足用动作高压避雷器,或者不足用击穿变压器绝缘侵入回路,那么雷电冲击波还会通过绕组间分布电容耦合的形式,侵入信号低压回路,这就使得信号电源设备产生过电压以及过电流。
  4、轨道电路。向信号设备的轨道电路侵入,轨道电路使用钢轨作为传输线,它一般比地面高出很多。因为地理环境的限制,有的铁道旁有是高大的物体,比如大山、树林,大桥,都很容易遭到雷击。
  5、雷电浪涌。它是这些年来因为微电子设备比方说计算机的联锁设备,这类的连续的应用进而引起人们极大关注的一种雷击危害的方式,同时它的防护方式也在不断的更新。通常最为普遍的电子设备危害并不是因为直接雷击而引起的,而是因為雷击发生时在电源和通讯线路中感应的电流浪涌而引起的。
  四、雷电对铁路信号设备的侵入类型
  雷电感应有大有小,根据多年实践证明,对信号设备的雷害,主要的侵入大致有以下几方面:
  1、由交流电源线进入。雷电冲击波侵入高压电线露传播到高压变压器,如果高压变压器未装避雷器或避雷器生效,雷电幅值又比较大时就会把变压器初、次级线圈间的绝缘击穿。有些雷电冲击波侵入的电压幅值不高,不足以动作高压避雷器或不足以击穿绝缘高压变压器侵入低压回路时,雷电冲击波还会以线圈间分布电容耦合的方式,侵入信号交流电源低压回路。
  2、由信号电缆侵入。信号设备中的信号机点灯电路、轨道电路和道岔控制电路均是通过电缆把室内、外的设备连接起来。雷电过电压从这些电缆侵入,并沿电缆传输进入设备,当电缆附近的大地受雷击时,电缆护套可能被击穿,雷电流直接侵入芯线或沿电缆铠装流动,对芯线产生较高的感应过电压。同时,当同一根电缆的某一芯线生产有过压时,其他芯线也生产感应电压。另外,电缆外部如果绝缘不好,电缆芯线将感应出不同电压,使电缆芯线间雷电感应电压不平横,形成外加电压击损设备。
  3、由轨道电路侵入。轨道电路虽然安装在铺有钢筋混凝土的轨枕上,但是由于轨道电路较长,又有泄漏和电容,并且都是均匀分布;钢轨本身又有一定的电子,当雷电袭击时不能立即泄放掉,雷电波将传送一段距离,侵入传输到轨道电路器材造成损坏。另外,当雷击点距离信号设备较近时,由于雷击电流造成雷击点大地电位上升并波及到信号设备,使设备产生闪烁或击穿。
  4、末端因素
  (一)不了解防雷元件性能。
  (二)防雷元件测试程序不完善。
  (三)箱盒内有水汽,绝缘不良。
  (四)室内外设备接地线不良。
  (五)防雷元件质量差,防雷效果差。
  五、铁道信号设备防雷原则
  铁道信号设备防雷应从单纯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问过电压影响等多方面作系统综合考虑。   多级分级(类)保护原则:即根据电气、微电子没备的不同功能及不同受保护程序和所属保护层确定保护要点作分类保护;根据雷电和操作瞬问过电压危害的可能通道从电源线到数据通信线路都应做多级层保护。
  按照防护范围可将弱电设备的防雷措施分为两类,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,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,针对弱电没备防雷的特性机理,对雷电浪涌及地电位差的防护进行探讨。
  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,从而将过电压降到没备能承受的水平。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,信号线和金属管道等)。
  简而言之可归纳为以下三条:
  1、利用人工引雷装置直接将雷电流引入地,防止直击雷损坏建筑或没备;
  2、阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波(内部保护及过电压保护)
  3、限制被保护设备上浪涌过压幅值(过电压保护)。
  六、铁路信号设备的雷电综合防护体系
  当今我国铁路高速发展,而铁路信号设备时常受到大自然雷电的危胁和破坏,需要综合考虑雷击的原因作出相应的措施。
  1、铁路信号雷电防护一般手段
  (一)埋设网状接地。围绕信号楼埋设网状接地,对地电阻必须小于1Ω。这是对设备的外部防护,首选是将主要的雷电流引入大地;其次是在将雷电流引入大地的时候尽量将雷电流分流,避免造成过电压危害设备;第三是建筑物各点的电位均衡,避免由于电位差危害设备;第四是保障建筑物有良好的接地,降低雷击建筑物时接地点电位损坏设备。
  (二)构成屏蔽接地栅。使用导电良好的镀锌铜条在信号顶面和四周构成屏蔽接地栅(法拉第笼),与接地网良好连接由于信号楼内有大量低压电子逻辑系统、遥控、小功率信号电路的电器设备,需要加装专门的屏蔽网。根据铁标有关防雷技术标准,应在整个屋面组成不大于规定大小的网格,所有均压环采用避雷带等电位连接。
  (三)实行等电位连接。室内设备的各类地线、窗栅、金属管线都要接在地栅上,实行等电位连接。这样也可利用信号楼中的金属部件以及钢筋构成不规则的法拉第笼,起到一定或更好的屏蔽作用。
  (四)并接过电压保护器件。电源线路入口(室内核心电子机柜的单元电源入口也有必要)并接过电压保护器件,抑制电源浪涌电压,防止浪涌电压窜入微电子设备造成损坏。弱电设备的电源雷电侵害主要是通过电源线路侵入。
  (五)串接过电流保护器件。信号线路入口串接过电流保护器件,抑制信号系统浪涌电压产生的过电流,防止过电流窜入微电子设备造成损坏。
  2、充分利用各种防雷设备
  目前防雷设备主要有避雷针、避雷线、避雷网、避雷带、避雷器等。
  (一)避雷针。其是一种常见的避雷工具,主要用于保护面积较小的建筑物或工程设施。能够有效地预防直击雷,避雷针一般用镀锌圆钢或钢管制成,其顶端做成圆锥形,并根据针长不同设计不同圆钢直径。
  (二)避雷线。避雷线也叫架空地线,是悬挂在被保护物体上方的接地导线,其作用和避雷针一样,将雷电引向自己并通过接地系统导入大地,达到保护电气设备的目的。
  (三)避雷网、避雷带。与避雷线防雷装置相似,主要用于建筑物防雷保护。避雷网、避雷带材料可采用镀锌圆钢或扁钢。圆鋼直径不小于8mm2,扁钢截面积不小于48mm2,厚度不小于4mm。
  (四)避雷器。主要有管型避雷器、阀型避雷器和氧化锌避雷器3种[2],目前使用最广泛的是氧化锌避雷器,氧化锌避雷器具有优异的非线性伏安特性,残压随冲击电流波动时间的变化特性平稳,陡波响应特性好,没有间隙击穿特性和灭弧问题,其电阻片单位体积吸收能量大,还可以并联使用。
  3、改善铁路通信设备的室外环境
  规范基站建设,规范等电位连接,并保证与信号系统的链接具有一个良好的接地系统,目的是使雷电流通过低阻抗接地系统向大地泄放,从而保护建筑物、人员和设备的安全做好屏蔽,使得信号系统处于雷电电磁脉冲屏蔽中,现行铁路信号电缆一般长达几十公里,因此各电缆之间必须做好屏蔽连接,而且要适当多处接地,从而到达防雷的目的。
  4、室内设备防雷措施
  首先,是电源系统的保护,电源线路是雷电侵害主要通道之一,因此在电源线路入口、室内核心电子机柜的单元电源入口安装过电压保护装置,抑制电源浪涌电压,防止浪涌电压窜入微电子设备而造成损坏,并对低压线路进行过压保护。其次,对信号设备以及计算机系统的保护,信号楼内要形成一屏蔽网,也就是室内连接要均衡,即完善均压环,故除信号楼房建的天面要按规定做好均压环外,信号方面也要在机械室、计算机房、电源屏室、控制室通过铜条在墙角环相连接做好均压,以保护信号设备等电位连接,并与符合要求的地线可靠连接。在机械室安装法拉第笼,主要作用是机械室附近遭受雷击后,屏蔽雷电产生的强电场干扰,最大限度地减少雷电对室内信号设备的影响,保护铁路室内信号设备的安全、可靠运用。
  七、结束语
  综上所述,铁路信号设备的防雷非常有必要,为了能够有效的保证铁路信号设备的运行稳定性,必须要构建合理有效的综合防雷体系,为铁路信号设备的防雷奠定坚实基础。
  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.2012(10)
  [2]陈爱全.铁路信号设备的雷电防护[J].河北能源职业技术学院学报.2009(02)
  [3]解志军.浅谈信号产品雷电防护[J].铁路通信信号工程技术.2011(06)
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