非电化区段铁路设备防雷改进方案探讨

2015-03-23薛坤斌上海铁路局总工程师室

上海铁道增刊 2015年1期

关键词：改进方案

薛坤斌上海铁路局总工程师室

非电化区段铁路设备防雷改进方案探讨

薛坤斌上海铁路局总工程师室

对非电化区段铁路设备防雷现状、存在的实际问题和近几年因雷击设备损坏事件进行了深入分析,并根据国内外防雷有效手段和措施，提出行之有效的防雷改进建议。关键词非电化；设备防雷；改进方案

1 概况

目前，随着各主要干线电化改造、高铁线路渐次开通，电化区段铁路设备采用的防雷设施较为完备。但，在那些偏远的非电化区段铁路设备所采取的防雷措施却仍然非常陈旧和落后。每年雷雨季节，在因雷击引起的这些非电化区段铁路设备故障较多，严重影响行车效率和安全。

2 非电化区段铁路设备防雷现状简述

2.1 接地形式

非电化区段的接地均为分散接地方式，且分为室内和室外接地两种形式。具体接地形式如下：

（1）室内接地线共分为三种：防雷地线（接地电阻≤10 Ω、沙石地段为≤20 Ω）、安全地线（接地电阻≤10 Ω、沙石地段为≤20 Ω）、微电子计算机保护接地（接地电阻≤4 Ω）。

（2）室外仅信号防雷型轨道电路变压器要求加装接地线，接地电阻为≤10 Ω（沙石地段为≤20 Ω）。

2.2 防雷设备

非电化区段室内加装防雷设备：供电电源输入、输出部分加装两级横向、纵向防雷模块；通信电缆通道加装横向防雷模块；信号轨道电路室内接受端加装简单防雷模块。

（1）电源防雷采用二级防雷：现在非电化区段的贯通电源和自闭电源为380V三相电源，所采取的防雷措施与电化区段、高铁线路电源防雷基本一致。

（2）非电化区段的信号轨道电路多为JZXC-480型轨道电路，仅在室内接受端电缆侧加装横向防雷模块。

3 实际运用中存在的问题

由于非电化区段信号设备所采取的防雷方案考虑不全面、存在缺陷，在每年的雷雨季节均会发生设备被雷击损坏事件。主要缺陷有如下几点：

3.1 接地线设置不合理

（1）通信、信号机械室内接地线分类太杂，接地电阻标准太低，无法满足现场防雷接地要求。由于机械室多种地线均为单独设置在房屋四周，在某个点发生雷击时，易在不同地线间产生电势差，从而损坏设备；同时，由于接地电阻标准要求较低，在遭受雷电感应时，设备通过地线将瞬间感应的电荷释放至大地的效果不理想。

（2）各类电缆的铠装钢带、铝护套等均未统一做地线，无法预防室外雷电感应电势串扰室内设备。

（3）车站站房（含信号、通信机械室、供电配电室）、广场照明灯、各类铁塔（含通信、电信铁塔）、室外高柱信号机、各类高柱金属标志牌未做接地处理，在旷野地带基本为最高设施，在雨水淋湿水泥机柱时，易受直接雷击。

3.2 防雷设施不完整

（1）车站站房（含信号、通信机械室、供电配电室）屋顶未采取防雷措施，易受直击雷袭击。

（2）信号机械室内除轨道电路受端电缆侧加装横向防雷模块外，轨道电路发送端、道岔启动/表示电路电缆侧、信号机点灯电路电缆侧等处均未加装防雷模块，这样在雷电击中室外相关设备时，已通过电缆芯线串至室内，损坏相关设备。

（3）室外信号轨道电路变压器、信号机变压器也未装防雷模块，在雷击中钢轨、信号机时，易损坏变压器，并让雷电顺利串至室内。

4 改进方案建议

借鉴多年来综合防雷施工方案和在实践运用中不断完善的经验教训，结合非电化区段实际情况，提出以下改进建议。

4.1 优化地线配置、降低接地电阻

地线是防雷的关键所在，雷电击中室内外设备并最终需经设备入地，否则因雷电产生的强大电荷无法释放。直接雷击中机械室房屋、线路设备、终端设备，放电电压高（可达500 kV以上）、放电电流大（可达200 kA以上）、放电过程时间短（一次闪电放电时间在40 μs左右）、闪电电流波形波头陡度大（在不到1 μs的时间内可达100 kA，冲击力强劲），所以直击雷破坏性极大（如图1）。为了及时消除电荷堆积，就需要及时将电荷释放到大地。通过电磁理论研究、实验室试验和现场使用情况分析发现：接

地线接地电阻越小、导电率越大、截面积越大、与土壤接触面积越大，雷击电荷堆积越小、入地释放时间越短，造成设备的损坏就越小。因直接雷放电的强大电磁场（感应雷）作用在邻近的导线或电子、电气设备系统内产生的静电感应过电压和过电流以及电磁感应过电压和过电流等，与接地线的关系也是如此（如图2）。针对雷电的以上特点，结合非电化区段的接地现状，提出如下接地线改进建议.

图1 直接雷放电示意图

图2 雷电的静电感应示意图

（1）补全接地线。

车站站房（含信号、通信机械室、供电配电室）、广场照明灯、各类铁塔（含通信、电信铁塔）、室外高柱信号机、各类高柱金属标志牌等均应按照相关防雷标准做好接地线。

（2）优化设备地线配置。

室内各类地线应采用集中与分类相结合原则进行设置。

信号机械室接地点应按照综合防雷标准在机械室四周统一做成信号设备使用的接地网，并将室内的电源防雷地线、电缆钢带/铝护套地线、组合架（柜）地线、分线盘防雷地线等分别引接至接地网。

通信机械室、供电配电室防雷接地可比照信号机械室接地方案进行改进。注意：供电配电室所用接地网不能与信号、通信机械室接地网连接、更不能共用，防止强电干扰弱电。

（3）改进接地方式。

为了使接地电阻降低，导电率、截面积、与土壤接触面积增大，结合实际情况，建议采取以下措施：

①为了接地线本身导电电阻较低、导电率、截面积较大，结合实验室检验的经济且效果良好的结果，建议室内外各类接地线采用50 mm2铜线。

②为了增加接地极与土壤的接触面积，机械室采用地网接地方式、室外采用集中设置接地极（接地网）结合贯通地线连接方式，这样既增加了接地极与土壤的接触面积又降低了接地电阻。这种接地极设置方式在沙石地质、山区尤其明显。

③提高接地电阻标准

为了提高接地效果，借鉴高铁接地标准和现有接地工艺，适当将各类接地电阻标准提高为≤1 Ω，也可使用防雷接地极最新研制成果-储能式接地装置。

4.2 根据实际需要增加防雷设施

（1）车站站房（含信号、通信机械室、供电配电室）屋顶应采用建筑顶层避雷网并做好接地处理，防止直击雷袭击，使屋内人员、设备免受伤害。

（2）根据最新综合防雷标准，在室内各类入户电缆侧加装相应规格的纵、横向防雷模块并做好接地处理，这样在雷电击中室外相关设备时，通过防雷模块的过压、过流保护，防止感应雷通过电缆芯线串至室内，损害设备。

（3）根据室外轨道电路变压器、信号机变压器防雷需要，加装相应的防雷模块，在雷击中钢轨、信号机时，防止感应雷损坏变压器、串至室内。

5 实例分析

2014年7月12日17：50，雷击造成宣杭线建国站IBG、4DG出现红光带，2/ 4号道岔定反位无表示。

5.1 原因分析

（1）该雷为直接击中SF高柱进站信号机机构。

（2）损坏设备：SF灯泡爆裂，附近的ⅡBG、2DG的送电端XB箱内一次侧1A空开被击碎，2#道岔尖1室外二极管组合的电阻被击断。

（3）雷击线路：雷电击中SF高柱信号机后，通过金属梯子和被雨淋湿的水泥机柱传导至附近钢轨，钢轨通过：分支一、轨道电路箱盒引接线传导至变压器，当大电流欲通过一次侧1A空开时，电流过大，引发空开爆裂，切断其向串扰通道；分支二、通过潮湿的道岔转辙机杆件，沿电机转子绕线和配线，传导至二极管组合，击断回室内通道的电阻，切断其向串扰通道。

5.2 存在问题

二通道进站信号机地处空旷地带，且为最高点，机构未做接地（非电化区段不要求做），所以当直接雷击中高柱信号机时无法迅速释放到大地，于是就扩大范围释放电荷，造成雷击影响面扩大。

5.3 改进措施和实施效果

将非电化区段的高柱进站信号机按照电化要求做接地处理。