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[摘要]铁路信号设备系统点多线长，且大部分设备暴露在野外大气环境中，尤其在雷电高发地区，雷电侵入铁路信号系统已成为相对大概率事件，虽然铁道工程防雷体系日渐成熟，但是雷電灾害仍然对铁道信号系统造成不少破坏。本文以直击雷为切入点，分析直接雷产生的几类影响，以引起电务施工、维管人员对防雷工程的重视，严格按照设计要求施工，不断加强施工过程控制，提高防雷工程质量，保障铁路信号安全稳定运营。
[关键词]铁道信号 信号防雷 工程质量
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）40-0210-01
1 直击雷的特点
直击雷是云层与地面特别是突起物之间的一种放电现象，能量巨大且产生同样巨大的电场，以至于大气层能够被击穿，同时迅猛放电。以往数据表明，大部分雷电放电是在云间或云层内部进行的，只有小部分被释放到地面，但是，雷云对地放电量可高达数千万甚至上亿伏特，放电时间极短，平均统计时间只有十几微秒，所以，一旦雷电直接击中信号楼或信号设备，这种强大冲击电流所形成的炽热高温和猛烈的冲击波，就会损坏所经放电通道上的建筑物、输电线、电子设备，对附近的人身安全也会产生极大的威胁。根据直击雷的特点，通过对雷击情况发生后的统计数据分析（主要为首次雷击数据），总结出直击雷对铁路信号系统的影响主要为以下四种，分别为高温热效应、电动力作用、机械冲击力作用和过电压作用。
2 直击雷产生的高温热效应
当发生雷电直击时，放电电流会超过300KA，其时间极短，一般仅为10至100us，根据焦耳定律，我们可以计算出一次已知雷电直击所发出的热量Q：
（1）
式中，Q-雷电击中信号设备的发热量，单位：焦耳；
R-被击中信号建筑物或设备的电流释放径路电阻，欧姆；
i-雷电流强度，安培；t-雷电流持续时间，秒；
因为雷电直击作用时间极短，散热影响可以忽略，得出被击中信号设备的温度升高为：
（2）
式中， -升温，开尔文；
m-被击中信号建筑物或设备雷电流路径范围内的质量，千克；
c-被击中信号建筑物或设备雷电流路径范围内的比热容，焦耳/千克·开尔文；
当直击雷打中信号设备，如高柱信号机时，取雷击放电电量统计数100千库伦，根据（1）与（2）式可得出雷击点的发热量为1500千焦耳。雷电流通道上的温度可以达到6000-8000℃，如果被击中部分的截面积不够大，那么瞬间聚积的高温不能有效释放，信号机则会因为高温而燃烧起来。同样的，当直击雷击中信号系统电缆时，根据电缆材料聚乙烯或聚氯乙烯特性可知，只要温度超过90℃，电缆外皮就会迅速老化甚至直接碳化，不但绝缘和防护性能被破坏，其附近设备或零部件也会因为高温而融化，甚至引发火灾，影响铁路运营安全。
3 直击雷对铁路信号系统的电动力作用
由电磁理论可知，电流会产生磁场，磁场强度与电流大小相关，只要在载流导体周围空间存在磁场，在磁场里的载流导体就会受到电磁力的作用。我们以信号楼的两根平行信号线为例，可以建立直击雷载流导体模型，如图1所示。
两条平行载流导体A与B，二者所传导的电流i1与i2方向相同。根据安培定则可知，两导体间会因电流产生安培力F：
正常电流下，这种力可以忽略不计，但是直击雷的瞬间电流可以达到几百上千安培。以100KA为例，当两导体间距50cm时，则每米将受到408Kg的作用力。这种强度的作用力，足以将导线折断。
同样，当直击雷击中信号楼或者轨道电路等外部设备中的弯曲导体时，如图2所示，其AB段电流i所产生的磁场使BC段受到电动力的作用，同时BC段的电流i所产生的磁场会使AB段受到电动力作用，表现出在弯曲处向外拉伸的作用，可以使导体或构件受到机械破坏力。
因此，凡是含有弯曲成角的导体或金属构件，其弯曲成角部分会受到相对更大的电动力作用，弯曲角度与受到的电动力大小成反比。所以，信号楼的引下线或信号线改变方向时不应出现锐角，必须为直角时应加强构件强度。
4 直击雷对铁路信号系统的机械冲击力作用
直击雷机械效应的另一个种表现形式是被雷击物体内部产生的压力。以转辙机为例，当直击雷击中其外壳时，根据上面我们得到的高温热效应影响，转辙机内部各种材料会分解出气体，气体在高温作用下迅速膨胀，在转辙机内部形成巨大的内压力，这种压力在相对封闭空间内，突破外壳强度时，就产生了爆炸，也就是我们通常看到的雷劈现象。这种雷劈现象，破坏力巨大，会直接导致信号设备的损坏，其应对方法，目前主要以设置避雷针主动将雷电引离设备区，以及设置避雷网和避雷带加大受雷面积、畅通导流途径为主。
5 直击雷对铁路信号系统的过电压作用
直击雷带来巨大的雷电流，在瞬间释放流通过程中，产生了脉冲电压，这种电压可以达到上千伏特，远远超过信号设备的耐压值，即我们所说的过电压。因导线或金属管道遍及整个房屋，直击雷产生的过电压扩散面积大，一旦侵入信号系统，往往造成较大破坏。根据信号防雷大规模改造前的统计数据，在电子设备遭受的雷击事故中，雷电过电压沿电源线或信号线侵入设备而造成的雷击故障占到80%以上，所以为了降低引雷几率，后续信号防雷相关规范规定，信号楼不得安装避雷针，且在进线处须加装防雷配电箱。
过电压在信号防雷系统的释放入地过程中，在其附近墙面会形成反击作用，在其附近地面会形成分布电位。那么，在防雷设计时就要考虑具体实际防雷环境，以达到雷击时跨步电压及接触电压值能够小于人体安全电压值的目的。
6 小结
铁路信号防雷工程的相关研究已经多年，目前的设计和施工水平日渐成熟，每年因雷击导致信号设备故障数量已大大降低，但是，仍然没有避免例如7.23那样的雷击事故发生，所以，信号防雷工程的施工质量也是关键。不论防雷设计有多么的完善，都必须依靠施工质量的保证，才能充分发挥其应有的作用。本文分析总结了直击雷对信号系统产生的几种影响，使防雷施工人员以及电务维护人员能够理解直击雷的危害，从而引起更广泛的重视，有利于提高信号防雷工程的施工质量。
参考文献
[1] 铁道部工程设计鉴定中心.铁路综合接地和信号设备防雷系统工程设计指南[S].北京.中国铁道出版社. 2014
[2] 周军.建筑物雷电防护技术研究与应用[D].山东大学.2007
[关键词]铁道信号 信号防雷 工程质量
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）40-0210-01
1 直击雷的特点
直击雷是云层与地面特别是突起物之间的一种放电现象，能量巨大且产生同样巨大的电场，以至于大气层能够被击穿，同时迅猛放电。以往数据表明，大部分雷电放电是在云间或云层内部进行的，只有小部分被释放到地面，但是，雷云对地放电量可高达数千万甚至上亿伏特，放电时间极短，平均统计时间只有十几微秒，所以，一旦雷电直接击中信号楼或信号设备，这种强大冲击电流所形成的炽热高温和猛烈的冲击波，就会损坏所经放电通道上的建筑物、输电线、电子设备，对附近的人身安全也会产生极大的威胁。根据直击雷的特点，通过对雷击情况发生后的统计数据分析（主要为首次雷击数据），总结出直击雷对铁路信号系统的影响主要为以下四种，分别为高温热效应、电动力作用、机械冲击力作用和过电压作用。
2 直击雷产生的高温热效应
当发生雷电直击时，放电电流会超过300KA，其时间极短，一般仅为10至100us，根据焦耳定律，我们可以计算出一次已知雷电直击所发出的热量Q：
（1）
式中，Q-雷电击中信号设备的发热量，单位：焦耳；
R-被击中信号建筑物或设备的电流释放径路电阻，欧姆；
i-雷电流强度，安培；t-雷电流持续时间，秒；
因为雷电直击作用时间极短，散热影响可以忽略，得出被击中信号设备的温度升高为：
（2）
式中， -升温，开尔文；
m-被击中信号建筑物或设备雷电流路径范围内的质量，千克；
c-被击中信号建筑物或设备雷电流路径范围内的比热容，焦耳/千克·开尔文；
当直击雷打中信号设备，如高柱信号机时，取雷击放电电量统计数100千库伦，根据（1）与（2）式可得出雷击点的发热量为1500千焦耳。雷电流通道上的温度可以达到6000-8000℃，如果被击中部分的截面积不够大，那么瞬间聚积的高温不能有效释放，信号机则会因为高温而燃烧起来。同样的，当直击雷击中信号系统电缆时，根据电缆材料聚乙烯或聚氯乙烯特性可知，只要温度超过90℃，电缆外皮就会迅速老化甚至直接碳化，不但绝缘和防护性能被破坏，其附近设备或零部件也会因为高温而融化，甚至引发火灾，影响铁路运营安全。
3 直击雷对铁路信号系统的电动力作用
由电磁理论可知，电流会产生磁场，磁场强度与电流大小相关，只要在载流导体周围空间存在磁场，在磁场里的载流导体就会受到电磁力的作用。我们以信号楼的两根平行信号线为例，可以建立直击雷载流导体模型，如图1所示。
两条平行载流导体A与B，二者所传导的电流i1与i2方向相同。根据安培定则可知，两导体间会因电流产生安培力F：
正常电流下，这种力可以忽略不计，但是直击雷的瞬间电流可以达到几百上千安培。以100KA为例，当两导体间距50cm时，则每米将受到408Kg的作用力。这种强度的作用力，足以将导线折断。
同样，当直击雷击中信号楼或者轨道电路等外部设备中的弯曲导体时，如图2所示，其AB段电流i所产生的磁场使BC段受到电动力的作用，同时BC段的电流i所产生的磁场会使AB段受到电动力作用，表现出在弯曲处向外拉伸的作用，可以使导体或构件受到机械破坏力。
因此，凡是含有弯曲成角的导体或金属构件，其弯曲成角部分会受到相对更大的电动力作用，弯曲角度与受到的电动力大小成反比。所以，信号楼的引下线或信号线改变方向时不应出现锐角，必须为直角时应加强构件强度。
4 直击雷对铁路信号系统的机械冲击力作用
直击雷机械效应的另一个种表现形式是被雷击物体内部产生的压力。以转辙机为例，当直击雷击中其外壳时，根据上面我们得到的高温热效应影响，转辙机内部各种材料会分解出气体，气体在高温作用下迅速膨胀，在转辙机内部形成巨大的内压力，这种压力在相对封闭空间内，突破外壳强度时，就产生了爆炸，也就是我们通常看到的雷劈现象。这种雷劈现象，破坏力巨大，会直接导致信号设备的损坏，其应对方法，目前主要以设置避雷针主动将雷电引离设备区，以及设置避雷网和避雷带加大受雷面积、畅通导流途径为主。
5 直击雷对铁路信号系统的过电压作用
直击雷带来巨大的雷电流，在瞬间释放流通过程中，产生了脉冲电压，这种电压可以达到上千伏特，远远超过信号设备的耐压值，即我们所说的过电压。因导线或金属管道遍及整个房屋，直击雷产生的过电压扩散面积大，一旦侵入信号系统，往往造成较大破坏。根据信号防雷大规模改造前的统计数据，在电子设备遭受的雷击事故中，雷电过电压沿电源线或信号线侵入设备而造成的雷击故障占到80%以上，所以为了降低引雷几率，后续信号防雷相关规范规定，信号楼不得安装避雷针，且在进线处须加装防雷配电箱。
过电压在信号防雷系统的释放入地过程中，在其附近墙面会形成反击作用，在其附近地面会形成分布电位。那么，在防雷设计时就要考虑具体实际防雷环境，以达到雷击时跨步电压及接触电压值能够小于人体安全电压值的目的。
6 小结
铁路信号防雷工程的相关研究已经多年，目前的设计和施工水平日渐成熟，每年因雷击导致信号设备故障数量已大大降低，但是，仍然没有避免例如7.23那样的雷击事故发生，所以，信号防雷工程的施工质量也是关键。不论防雷设计有多么的完善，都必须依靠施工质量的保证，才能充分发挥其应有的作用。本文分析总结了直击雷对信号系统产生的几种影响，使防雷施工人员以及电务维护人员能够理解直击雷的危害，从而引起更广泛的重视，有利于提高信号防雷工程的施工质量。
参考文献
[1] 铁道部工程设计鉴定中心.铁路综合接地和信号设备防雷系统工程设计指南[S].北京.中国铁道出版社. 2014
[2] 周军.建筑物雷电防护技术研究与应用[D].山东大学.2007