铁路站房及沿线建筑综合防雷

朱光熙

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251）

随着我国高速铁路系统的发展，高速铁路安全性越发引人关注。在过去的几年中，在高速铁路的研发和实践中出现了一些由于自然灾害导致对于高速铁路安全的危害和隐患。

雷电对于铁路系统的危害由来已久，相关部门也将减少雷害对于铁路系统破坏的研究贯彻始终。在有关部门对于2002年至2005年的铁路系统雷害监测中，共记录了接近1 700起雷害事故。在充分分析这段时间的监测数据之后，铁路系统投入大量的人力物力财力，进行了为期3年的综合防雷整治，取得了很好的效果。在此之后，铁道部建立起一套铁路综合防雷的研究系统，致力于更进一步减少雷电这种自然灾害对于铁路系统，尤其是高速铁路系统的危害。

1 基本雷电防护知识

1.1 雷电原理

雷电由雷云产生，最常见的雷云有热雷云和锋面雷云。雷电是由雷云（带电的云层）对地面建筑物及大地的自然放电引起的，它会对建筑物或设备产生严重破坏。在天气闷热潮湿时，地面上的水受热变为蒸汽，并且随地面的受热空气而上升，在空中与冷空气相遇，使上升的水蒸汽凝结成小水滴，形成积云。云中水滴受强烈气流吹袭，分裂为一些小水滴和大水滴，较大的水滴带正电荷，小水滴带负电荷。细微的水滴随风聚集形成了带负电的雷云；带正电的较大水滴常常向地面降落而形成雨，或悬浮在空中。由于静电感应，带负电的雷云，在大地表面感应有正电荷。这样雷云与大地间形成了一个大的电容器。当电场强度很大，超过大气的击穿强度时，即发生了雷云与大地间的放电，就是一般所说的雷击。现代计算机技术的发展，使电子设备的防雷要求有了空前的提升，由于微电子设备的耐过电压能力低，因此对于雷电灾害的影响也更加明显，所需要的防护措施要求也就更加严格。

1.2 雷电的类型和危害

常见的雷击有3种主要方式：球形雷、感应雷和直击雷，如表1所示。直击雷简单来说就是雷电直接对大地的某一个点放电；感应雷发生在直击雷之后，由于云层带电骤然消失，而地面的一定范围内电阻阻值偏大，出现这个范围内的高电压，或是直击雷与击打部位附近的金属体所产生电磁感应所导致的二次雷击；球形雷极少出现，但是一旦出现，就会造成非常大的危害，不止毁坏电子设备，而且大部分球形雷都会通过电子线路进入建筑物内部，击伤或烧伤建筑物内人员，造成重大的人员财产损失。

雷电的危害主要体现在3个方面，即电效应、热效应和机械效应。雷电的瞬时过电压可以达到数十万至数百万伏，这就决定瞬时冲击电压可以轻易地摧毁电路，击穿绝缘，引发火灾或爆炸；由于瞬时过电压过高，虽然作用时间短，但其产生的热量惊人，雷击点的热量可达瞬时2 000 J，这也是重大雷击导致火灾或爆炸的主要原因之一；也是因为雷电流过大，被击穿物体内部缝隙中的气体或液体会因瞬时过电流而急剧膨胀，产生巨大冲击力，这就是雷电的机械效应。中国各主要城市雷暴天数如表1所示。

表1 中国各主要城市雷暴天数

2 雷电灾害采用的主要防护设备

通过了解雷电灾害的成因以及对电子设备的破坏原理，在近些年的研究中，已经生产并应用了多种防雷器件，通过这些防雷器件，可以在不同程度上减轻或消除雷电灾害对于电子设备的破坏。虽然人们根据不同的原理和方法研究出多种防雷设备，但是现阶段还没有找到一种可以完全解决雷电对铁路系统中核心电子设备的破坏问题。

2.1 气体放电管

气体放电管如图1所示，是一种最常用的防雷设备，这种设备的管体由陶瓷或玻璃制成，管体中空，密封短路性保护器件，并与其间隙冲入惰性气体。

气体放电管根据气体在外界电场的作用下，随外界电场的增强，当极间的电场强度超过气体的击穿强度时，将产生气体的放电现象，使原来为绝缘的气体骤变为导电体（绝缘击穿），从而限制了极间的电压，使与放电管并联的其他器件得到保护。气体放电管常用于多级保护电路中的第一级或前两级，起泄放雷电暂态过电流和限制过电压的作用。

气体放电管的优点是绝缘电阻很大，而寄生电容很小。同时，其缺点也同样明显，即放电时延较大，动作灵敏度不够理想，对于波头上升陡度较大的雷电波难以有效抑制。

2.2 固体放电管

固体放电管如图2所示，是利用晶闸管原理制成的过压保护器件，利用PN结的击穿电流触发器件导通放电，可以通过较大的浪涌或脉冲电流。因此，固体放电管可以直接跨接在被保护电路两端。

它采用先进的气力注入技术，具有精确导通、快速响应、浪涌吸收组能力强、可靠性高等特点；广泛应用于通信交换设备中的程控交换机、电话机、传真机、配线架、XDSL、通信接口、通信发射设备等一切需要防雷保护的领域，以保护其内部的IC免受瞬间过电压的冲击和破坏。在当今世界微电子及通信设备高速发展的今天，固态放电管已成为世界通信设备的首选器件。主要的优点为高电流突波之承受力，启动后可保持低电压状态及较低的电容值。

2.3 压敏电阻器

压敏电阻器是利用半导体材料的非线性伏安特性，如图3所示，而制成的一种电压敏感元件。图3给出了压敏电阻器的伏安特性曲线，可以看出，它是一条对称的非线性曲线，当外加电压较低时，流过电阻的电流很小，压敏电阻器呈高阻状态；当外加电压达到或超过压敏电压Uc时，压敏电阻器的阻值急剧下降并迅速导通，其工作电流会增加几个数量级，从而有效地保护了电路中的其他元件不会因过压而损坏。

但是压敏电阻器也有自身的缺陷和不足：随着温度的升高，击穿区被压缩，因此，只有很窄的区域有防雷作用。同时由于温度增高，压敏电阻漏电流急剧增大，使压敏电阻劣化烧毁。

2.4 瞬态二极管

瞬态二极管的核心原理同样是PN结，如图4所示。当电压超过元件的雪崩电压、使PN结工作在雪崩状态时，TVS二极管随着加在其两端的电压不同而改变其阻抗，在规定的反向电压作用下，两端电压大于门限电压时，其工作阻抗能立即降至很低的水平以允许大电流通过，并将两端电压钳制在很低的水平，从而有效地保护末端电子产品中的精密元件避免损坏。它具有较强的脉冲吸收能力。双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉动功率，并把电压钳制在预定水平，它具有较强的脉冲吸收能力。

瞬态二极管的优点是残压低，动作精度高，响应时间较快（≤1 ns），无跟随电流（续流）。缺点是耐流能力差, 无法承受太大的瞬间电流，钳位电压随着电流增加而增加，通流容量小，一般只有几百安培。

基于瞬态二极管具有以上的优缺点，此设备一般不作为第一级接口保护器，通常用作低电压电路的二级保护。并且，瞬态二极管能有效地钳制快速上升的瞬间电压，特别适合于不需要旁路大能量的低电压场合的应用。

2.5 直击雷防护装置

对于直击雷的防护，通常采用两种不同的防护方式，即长期以来一直应用防护直击雷破坏的避雷针和一些年逐渐完善的避雷网和避雷带技术。

对于铁路系统而言，站房以及周围的附属建筑物占地面积大，设备种类广，电子设备多的特点决定了防护困难较大。

避雷针如图5所示，是一种主动式接闪装置，其功能就是把闪电电流引导入大地。因此，将其称为“引雷针”更为贴切。对于铁路站房即周边附属建筑物而言，将发生在周围云层中的雷击引导至自身，是一种危险的行为，因为直击雷不止是瞬时过电流和过电压对于设备及人员的危害，而更多地是其导致周围电磁感应强度增大，电磁场范围变广所带来的威胁。

虽然与避雷针的接闪原理一致，但是避雷带、避雷网对于直击雷的防护具有其独到的优势。避雷带是在建筑物的屋脊和屋顶四周敷设的接地导体，是由避雷针、避雷线发展而来的。避雷网是在避雷带的中间敷设接地导体，以保护建筑物的中间部位。用于保护建筑物，其优点是敷设简便、造价低,而且同高耸的避雷针相比,引雷的几率大为减少。而且它接闪后一般是由多根引下线泄散电流，室内设备上的反击电压相对较低。

3 铁路站房及其周边建筑物综合防雷

雷电对电气电子设备的危害：电气设备绝缘击穿、电子器件损坏、印刷板击毁。其严重后果：系统瘫痪、设备停用、软件失灵。高速铁路雷害影响列车安全正点运行，影响列车晚点的实例已经不少，影响安全的例子也有，应加以重视。

从实际雷害事故的调查情况来看，雷直接击中信息网络的可能性不大，危害信息系统安全可靠运行的主要原因是雷击电磁效应。当雷击建筑物、建筑物附近地面、交流输电线路以及天空雷云间放电时，所产生的暂态高电位和电磁脉冲能够以传导、耦合感应和辐射等方式沿多种途径侵人室内信息系统。就具体情况而言，雷电侵害信息系统的主要途径有以下几种。

1）雷直接击中信息系统所在建筑物防雷装置，引起防雷装置各部位（引下线及接地体）暂态电位的急剧升高，导致对电子设备的反击。

2）雷电感应在输电线路上产生过电压，并沿电源线侵入信息系统。

3）雷电感应在信号线路上产生过电压，并沿信号线路侵入信息系统。

4）雷击时出现的电磁脉冲从空间直接辐射至电子设备。

计算机信息系统设备一般都安置在室内，许多计算机主机房位于大楼较低部位。雷电不可能直接“击”到设备上，但雷电电磁脉冲可以在建筑物内的电气电子设备上感应出浪涌。雷电电磁脉冲也可以在进入建筑物的各种线路上感应出浪涌，经线路传导到设备。因此，远方落雷的雷电电磁脉冲也可进入设备造成设备损坏。我们称远方落雷经由线路传导到设备的雷浪涌为传导雷。也就是说，电气电子设备系统主要防的不是直击雷，而是雷电电磁脉冲感应浪涌和经线路传导至设备的“传导雷浪涌”。当雷电击中未设防雷装置的建筑物时，雷电流将会以不确定的方式通过建筑物不确定的结构部位找寻入地的途径。在建筑物外部与建筑物内有关联的金属物可将在外部所受的雷电冲击直接传至建筑物内。这种进入建筑物的方式，具有由一系列路径传导全部冲击能量的特点，并且有传递全部雷电放电破坏效应的能力。雷电冲击的波形通常不会有大的变化，由此可以造成建筑物的损坏甚至引起火灾。而它所引起的感应雷瞬态过电压，是造成建筑物内部电气设备和电子设备损坏的一个重要原因。建筑物如果遭到雷击，雷电将通过避雷针或避雷网、避雷带的引下线入地。“引下线”上巨大的电流流动会在周围形成一个环绕着它的电磁场，当电力或数据线路的电缆路径穿过时，将会在线路上感应形成过电压。该浪涌电压通过线路侵入设备，即电感耦合，所谓电感耦合是一种雷电与电线之间的磁场转移效应。

图6阐释了铁路系统综合防雷的基本组成。

除了遵照图6中的各个步骤设置铁路站房以及周边建筑的综合防雷系统之外，一些重要的注意事项也会直接决定整个系统的安全性。

a 线缆分类布放。

b 净线与脏线分开布放。

c 容易遭受大雷电流的线缆与容易遭受较小雷电流的线缆分开布放。

d 减少电源线与通信线间形成的回路面积。

e 电缆分槽布放。

综上所述，只要在施工的过程中遵照上述原则来制定线缆的排列规则，就可以起到对综合防雷系统的辅助作用，从而减少雷害对铁路站房以及周边建筑物的损害和破坏。

以上从雷害的基本知识开始，讲述了在铁路站房以及周边建筑物设置综合防雷系统的一些基本知识，多数问题是在防雷补强时发生的。如果是在建筑物设计阶段就考虑防雷，则以上问题就可以得到很大程度上的简化。综合防护应当在工程设计建筑、电力、电务（通信和信号）、电气化供电、信息系统等时通盘考虑，将建筑物地基、铁路线路、桥、隧道中的接地网、贯通地线等事先按照四电和建筑物防雷和电磁兼容的需要，做好及预留各种功能接地的接地螺栓或接地排。建筑物事先按电磁兼容要求设置屏蔽、布置线缆和设备。

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