雷击对铁路信号系统的影响分析

2015-03-05沈怀密王建福

城市道桥与防洪 2015年10期

卢萍，沈怀密，王建福

(1.中国中铁二院工程集团有限责任公司济南勘察设计研究院，山东济南 250012；2.沂沭铁路有限责任公司，山东临沂 276700；3.中铁二院工程集团有限责任公司通号院，四川成都 610031）

0 引言

在铁路工程系统中，电子设备作为一种比较常用的电子元件，在保证铁路安全运行、提高劳动条件、提升输送效率等方面都具有非常重要的意义。雷电作为一种自然界常见的现象，会影响铁路信号系统，对货物和旅客的正常输送造成较大的影响。在这种情况下，分析雷电对铁路信号系统的影响方式，对降低雷击事故的出现概率具有重要意义。

1 铁路信号系统受雷击影响的类型

（1）电磁脉冲。若设置有信号设备的建筑物或装有信号设备场所的建筑被雷电正面击中，在信号系统里面会有由雷击形成的电磁脉冲，影响铁路信号系统的正常运转。

（2）电磁感应。感应雷的形成与雷云的关系非常密切，当雷云放电或雷电在雷云间时，不远处的户外传输信号电缆线、信号路线、埋地电力线一级设备间连接都会出现电磁感应的现象。

（3）轨道电路。当信号设备的轨道电路被雷击侵入时，由于轨道电路的传输线比地面的钢轨高出很多，在地理环境因素的影响下，铁道旁有些高大物体（大山、树林、大桥等）很容易被雷击中[1]。

（4）直接雷击。是在雷电活动区域内，直接通过建筑物的构架、钢轨放电和信号传输路线而产生的一种电击现象。

2 雷击影响铁路信号系统的途径

2.1 雷电直击对铁路信号系统的影响

（1）雷电直击对系统过电压的影响。当信号楼被雷电直击时,引下线（电源线、电话线、信号线）等外部避雷设施将小于50%的雷电能量泄放到大地,信号楼的供电系统将约40%的能量分流。其中，信号楼的通信网络线缆将约5%的能量分流,剩下的由其它金属管道、缆线进行分流。信号楼内的布线状况和管线结构影响能量的分配比例。当雷电直击信号灯塔柱、轨道电路等楼外信号设备时,过电压由设备外壳或金属管线直接入侵到设备的内部,信号设备被损坏。雷电直击信号楼主要入侵途径如图1所示。

图1 雷电直击信号楼主要入侵途径

（2）对铁路信号系统产生的机械冲击力影响。本文以转辙机举例说明雷击机械效益所产生的内部压力，当转辙机的外壳被雷电击中后，就会产生很大雷电流热，由于雷电放电时间极短，热量无法短时间内放出，机械设备的内部就会产生很大的压力，致使转辙机出现爆裂的情况，影响整个信号系统的稳定性。

（3）铁路信号系统点动力受雷电直击的影响。根据电磁理论可以看出，有电流的地方就一定有磁场。当载流导体的四周有磁场存在时，就会影响截流导体。图2为当雷电击中通向信号楼的两根平行线时的载流导体模型。

图2 同向电流电动力对平行截流导体的影响模型

假设平行载流导体分别为A、B，在雷击电流的影响下，平行截流导体会向相同的方向传递电流i1和i2，分别从室外传向室内，因此，电磁对导体的影响时间很短，产生的作用力也远低于导体自身的机械振动。根据安培定则进行推算：

在瞬间产生的雷电流在几百千安以上后，在导体上产生的瞬间作用力是非常大的，在这一作用力的影响下，导线会出现劈裂和断裂的情况。假如，两个导线之间的距离为50 cm,在两个导线上产生的瞬间电流均为100 kA。按照上述公式计算后可知，每一米导线大约受到了408 kN单位外力，很有可能折断两根导线。

（4）雷电直击可使铁路信号系统温度过高。当铁路的外部信号设备或者楼内信号设备被雷电击中后，会产生大于300 kA的雷电流，并且这一过程非常短，雷电流产生的热效应会影响信号机、转辙机和轨道电路，并且短时间内产生的热量会使电路通路周围的温度突然上升，溶化非金属物体或金属物体。

2.2 雷电感应对铁路信号系统的影响

通常情况，雷电直接击中铁路信号系统设备的概率很小,但是雷电感应产生的危害范围比雷电直击的范围大很多。强大的电磁场因雷电流而发生变化，电磁场与导体感应出过电压、过电流，雷电直击形成。感应雷对信号机等铁路信号系统的外部设备影响较小,信号楼内信号系统受到电磁脉冲的影响比较大,如果在1 000 m的范围有雷击情况的发生,导体产生的感应浪涌强度足够大,所以电源线、信号线等分布在信号楼内外的设备都会感应到雷电,雷电波产生后侵入到信号楼内，使信号设备的正常工作受到干扰[2]。铁路信号系统被雷电感应入侵的途径有以下几种：

（1）入侵天线端口，感应雷以信号楼天线、避雷针或避雷网作为路径入侵;

（2）入侵电源端口,感应雷以信号楼的外接电源线为侵入路口;

（3）入侵信号线端口,感应雷以信号楼外的接信号线为入侵路径;

（4）以信号楼的钢结构及信号设备的外壳为侵入口。

3 铁路信号系统的防雷设计

一般传统避雷装置会使50%的雷电流直接泄入大地，剩下的50%将平均流入电源线、钢轨和信号电缆等各电气通道。接闪、引流和泄流是信号楼防直击雷的主要部分。

3.1 选择接闪器

避雷针是防雷电直击采用的防护措施。通常普通的避雷针是一根铁棒,磨尖端部,利用接地引下线把地电位(一般认为零电位)连接到针尖,利用比被保护物高很多的针尖,进行上行先导（比被保护物优先产生）,与雷云的下行先导碰到,引雷入地的效应形成,防止其受到雷击的损害。它适用于信号楼外部铁路信号设备，可以用它来隔离直击雷。如为了实现接闪，将避雷针安装在高柱信号机防直击雷的塔杆顶端。通常用避雷针保护整个信号楼,能够避免直击雷对其的损坏,但因为信号楼楼层较矮,周围有很多高大的建筑及铁路设备,因此安装避雷针不是保护信号楼免受直击雷损害的理想方法。信号楼上安装避雷针的数量越多引雷的概率越大,受到雷电影响的概率较大,因此，为了防止信号楼被直接雷击，应该将避雷针改为避雷线或避雷网，此二者可以直接拦截雷击，用于接闪、接引雷电流，通过引下线和接地装置泄放,防止系统设备受到直击雷的损害。

3.2 设置引流系统

引下线构成了引流系统,其可以连接接闪器和接地装置,雷电直击的泄放通道也从中产生,紧密与深埋地下的接地装置连接,接闪器实现接地。避雷针的引下线通常都是信号楼墙体内的钢筋结构,但是铁路信号楼内的信号系统需要有专门的引下线。若全部雷电流的疏导仅仅靠一根引下线,避雷针进行捕获雷电时,尽管引下线的电阻很小,但其它两端产生的几十千安的雷电流将会存在很大的电位差。假设将引下线的电阻定为10Ω,如果有10 kA的雷电流通过,引下线的上下两端的电位差将会达到10 kV,造成周围金属导体产生旁侧闪络的情况[3]。只有利用多根引下线才能降低这种闪络危险。为避免多根引下线的使用导致不均匀雷电流的出现,需要设置均压环，但需要隔一定高度设置一个,将所有的引下线连接起来。保证引下线与接闪器可靠燥接,与热稳定要求相一致。当使用时,对称敷设引下线,使雷电流流入引下线中时，保证信号系统内部的雷电磁场矢量和达到最小值,绝缘于系统高度,用最短的路与地下垂直体链接，同时把弯曲度降低。如果必须要将其弯曲,尽量避免将其弯成直角或锐角,防止增加雷击时候的阻抗。

3.3 设置散流系统

接闪器使雷电直击受雷,高电位的电流必须要利用散流装置在大地上疏散，因此，散流装置的合理设置是非常必要的。接地体和接地线两部分组成了接地装置。其中，接地体是指埋进大地内，并且与土壤产生直接接触状态的金属导体；接地线是指设备中接地的部分与接地体相连的金属导体。接地的种类较多,室内浪涌保护器和屋顶避雷针的接地属于防雷接地的类型,金属杆塔、避雷针(线)和避雷器等设备都需要与接地装置相匹配,这样的做法可以防止雷电产生大的危害，有利于将强大的雷电流直接导入到大地中，实现暂态雷电波与线路交流浪涌的能量顺利泄放到大地的目的,有效的保护系统正常、设备安全及人员的安全。如果不接地装置或接地不良，避雷设施就会失去其该发挥的功效。设置信号楼的整体接地网,但将引下线直接埋入大地的方法可以直接用于室外信号机、道岔设备以及轨道电路等地方。