铁路信号设备防雷方案研究

张晓星

引言：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。综合雷电防护方法是在全面考虑雷电损坏信号设备的各种可能途径的基础上，综合采用外部防护、屏蔽、等电位连接、接地、合理布线、使用浪涌保护器等多种方法解决这个问题的有效措施。

一、电磁兼容与雷电电磁脉冲防护的概念

根据调查，近年来信号设备雷害概率有所增大，主要是因为雷电电磁脉冲经常通过连接导线，将传导雷电浪涌和感应雷电浪涌传输给信号设备，或将辐射雷电电磁场效应直接作用于设备上。由于现代化铁路信号设备大量采用大规模集成电路和小型贴片电容、电阻、继电器等微型器件，因此与传统设备相比，其耐过电压、过电流的能力极弱，即使幅值较低的雷电电磁脉冲干扰都可导致信号设备器件失效，造成信号设备的雷害。

近10年来，各国防雷工作者根据现代电气、电子设备的雷害机理及雷电防护特点，将现代电气、电子设备雷电防护纳入电磁兼容的范畴，提出了机房屏蔽、合理布线、规范接地和装置合适防雷保安器等系统防护（或称综合防护）的概念。所谓电磁兼容是设备或系统在电磁环境中，能正常工作且对该环境中任何事物构成能承受电磁骚扰的能力。对于信号系统而言，信号设备的电磁兼容是指在各种电磁环境下（包括雷电电磁脉冲环境），信号系统必须正常工作。显然，除了采用传统的防护方法外，还要改善信号设备所处的电磁环境。

二、改善计算机设备所处场地的电磁环境

（一）建筑物防护

雷击时，建筑物外部和内部都可诱导出雷电浪涌。内部雷电浪涌既可由建筑物接地终端系统的常规接地阻抗或电缆屏蔽层电阻产生（通常称为反击），也可由电气或电子系统线路构成的回路或搭接导体的电感产生，还可由雷电通道内流过的雷电流以及导体（如直击雷防护系统的引下线）中流过的雷电流感应耦合产生。

建筑物的外部防护仍然采用传统的避雷针。含无线电发射天线的建筑物，应当设置避雷针以防止雷电直击天线设备。建筑物的内部防护包含空间屏蔽、接地和搭接。

1.空间屏蔽。衰减了雷电直接击中建筑物或建筑物附近而在建筑物内部产生的磁场，并减少了内部雷电浪涌。空间屏蔽有两方面，一方面是建筑物或机房本身的屏蔽，最好的办法是用建筑物的自然构件组成，例如天花板、墙和地板中的金属加强钢筋、金属框架、金属屋顶和金属墙面等，构成了格栅型的空间屏蔽。屏蔽后，电子系统只需安置在距屏蔽有一定安全距离的安全空间；另一方面是合理布线和线路屏蔽。合理的线路布放可以使感应回路面积为最小，采用屏蔽电缆或电缆管道可以将电磁场部分屏蔽，减小内部感应影响，从而减小了电子系统内的感应雷电浪涌。

2.接地。新建电子设备机房建筑物的接地系统，应采用共用接地。最常见的做法是利用建筑物基础钢筋地网或桩基网作为共用接地系统的基础接地装置，并在建筑物四周距基础接地装置1m处设环行接地体。基础接地体和环行接地体在地下至少有4处相连。值得注意的是，钢筋混凝土建筑物的墙面钢筋网既作为格栅形空间屏蔽，也兼作直击雷防护系统的引下线系统。建筑物如共用一个接地系统，则必须有地网构成的接地终端系统，而不是将几个功能性接地装置连接在一起的共地系统。改建电子设备机房建筑物，若没有共用接地系统条件的，应另设一组接地体用作保护接地。保护接地PE可与设备工作接地连接，但不得与建筑物的避雷针、避雷带、避雷网的引下线连接。在室内应设置与保护接地相连的接地汇集线或称等电位连接母线，接地汇集线根据室内信号设备的布局可以做成條形或环形（不闭合）。

3.搭接。将建筑物内部各系统所有导体部件（通电的导体除外）与接地终端系统相互连接并构成网络，其理论根据是等电位防护。相互搭接的金属，处于宏观上的等电位状态。对于电子信号系统设备，其与接地系统的搭接应当按照国际电信联盟的建议ITU-T K127和国际电工委员会标准IEC62305-4要求，按星形结构（S形结构）做等电位搭接。

内外网状多点连接法多用在电气和电子系统分布区域较大，或者分布在整个建筑内时，各单个设备之间有许多线路，并且线路在多个点进入建筑物，其他情况应当用S形结构。

（二）室外设备雷电电磁环境的改善

1.将室外信号系统设备置于与大地连接的金属箱、盒（最好是铁质）内，金属箱、盒必须良好接地，使得信号系统处于雷电电磁脉冲屏蔽中。

2.与信号系统设备的连接采用屏蔽电缆，电缆屏蔽必须良好接地，或者非屏蔽电缆穿金属管敷设，金属管与土壤直接接触。

3.在室外信号系统设备集中的区域安装避雷针，防止雷电直击设备本身、电缆和轨道。避雷针的安装位置必须考虑能够避免站场内的信号系统设备遭受雷击，还要防止避雷针引雷后的雷电感应。

尤其避雷针的地线一定要与站场内的钢轨、电缆径路有一定的安全距离（一般大于20m），以避免雷电反击。

三、安装防雷保安器

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。

四、结论

综合考虑外部防护、屏蔽、等电位搭接、接地、合理布线、使用浪涌保护器等多种方法，可以有效地改善信号设备的电磁环境，减少雷电电磁脉冲对铁路信号设备的影响，这是一个行之有效的方法，在铁路及其他各个领域中的使用已经见到明显效果，并得到国际上认同。

参考文献

[1] 王志维.车站信号设备综合防雷系统工程设计的探讨[J].铁道通信信号.2006.

[2] 万家驹.高频信号防雷保护器的发展及应用[J].通信世界.2010（06）.

（作者单位：北京铁路局天津电务段）