鐵路信號室內(nèi)綜合防雷

摘要：隨著鐵路運(yùn)輸裝備技術(shù)水平的不斷提高，計(jì)算機(jī)集成技術(shù)、接口技術(shù)、及通信技術(shù)在鐵路信號系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。鐵路信號系統(tǒng)對雷電的防護(hù)要求也就越來越高。根據(jù)站場中信號設(shè)備的分布的特點(diǎn)，利用現(xiàn)代防雷手段，對鐵路信號系統(tǒng)綜合防雷，提高信號系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：鐵路信號；綜合防雷；接地系統(tǒng)；SPD

通信、信號與控制系統(tǒng)等電子設(shè)備系統(tǒng)，是列車安全、正點(diǎn)、高速、高密度運(yùn)行的重要技術(shù)裝備。鐵路信號系統(tǒng)故障將會(huì)使鐵路運(yùn)輸遭受巨大的經(jīng)濟(jì)損失和造成巨大的社會(huì)影響。而雷電災(zāi)害是電子集成設(shè)備系統(tǒng)故障的重要根源。由于微電子元件耐過壓能力低，而雷電高電壓以及雷電侵入時(shí)所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)都會(huì)對系統(tǒng)造成干擾和損壞。對鐵路信號系統(tǒng)采用綜合防雷手段，可能將雷電災(zāi)害降低到最低的限度，減少信號系統(tǒng)遭受雷電損害的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)、還能保護(hù)線路范圍內(nèi)的人身安全，減小雷電電磁效應(yīng)對人身的傷害。

1 綜合防雷
建筑物內(nèi)的電子設(shè)備的雷電電磁脈沖安全防護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，不是簡單的添加防雷元件和防雷設(shè)備便可一勞永逸的。而應(yīng)該采取機(jī)械室屏蔽、合理的布線、規(guī)范的接地和浪涌保護(hù)器的等多種措施相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)雷電的綜合防護(hù)。
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通信信號傳輸系統(tǒng)等設(shè)備的綜合雷電防護(hù)包括改善設(shè)備所處場地的電磁環(huán)境與合理浪涌防護(hù)裝置的安裝，可以有效地防止站場附近落雷形成的感應(yīng)雷和傳到雷進(jìn)入信號樓內(nèi)對機(jī)械室室內(nèi)設(shè)備造成破壞，危機(jī)行車安全。

2 建筑物的防雷要求
按照系統(tǒng)防護(hù)的概念，就是要優(yōu)化設(shè)備所處場所的電磁防護(hù)。而優(yōu)化電磁環(huán)境則是應(yīng)該做好建筑物的雷電防護(hù)。在規(guī)劃設(shè)計(jì)機(jī)械室時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮到防雷系統(tǒng)，不僅對新建建筑，而且對已有建筑根據(jù)防雷的原理因地制宜的采取行之有效的方法。
2．1 建筑物防護(hù)
1)信號樓在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)設(shè)置良好的避雷帶或避雷網(wǎng)，如果建筑物含有衛(wèi)星接收天線或者雷達(dá)，則還可增加設(shè)置僅是為保護(hù)雷達(dá)和天線設(shè)備的避雷針，將雷達(dá)或天線設(shè)備置于避雷針的保護(hù)范圍之內(nèi)。
2)避雷帶、避雷網(wǎng)“或避雷針”要有良好泄流地網(wǎng)，即在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)做好接地系統(tǒng)，接地系統(tǒng)的布局直接影響均壓效果、等電位結(jié)構(gòu)和地電位反擊等。一般在建筑物基礎(chǔ)上做若干接地體，這些接地體連接成一體，構(gòu)成基礎(chǔ)接地體。此外。還應(yīng)設(shè)置環(huán)形接地體與基礎(chǔ)接地體搭接。
3)新建建筑物中鋼筋做成屏蔽網(wǎng)，主鋼筋和避雷帶或避雷網(wǎng)接為一體，構(gòu)成法拉第籠。
以上這種做法可以是人地的雷電流在建筑物上的不鋼筋均勻分布，減少了雷電流周圍的雷電電磁脈沖。同時(shí)也是地電電位上升量變小，減小地電位反擊電壓。
2．2 內(nèi)部防護(hù)
在室內(nèi)為形成均壓等電位的結(jié)構(gòu)，減少由雷電流引起的電位差。所有引入和引出的被保護(hù)空間的電源線和通信線路或其它導(dǎo)體都和雷電防護(hù)等電位搭接，使雷電流導(dǎo)入大地。根據(jù)防雷區(qū)域的劃分如圖1所示，通常將抗干擾能力較弱的電子設(shè)備放置于LPZ2區(qū)和LPZ3區(qū)。(LPZ：Lightning protection zone雷電防護(hù)區(qū))“內(nèi)部防護(hù)”可采用屏蔽、均壓和防閃絡(luò)措施。

對機(jī)械室來說，屏蔽除了建筑物結(jié)構(gòu)的鋼筋構(gòu)成的屏蔽網(wǎng)外，指的是還要和內(nèi)部的其它金屬結(jié)構(gòu)如防靜電地板、電纜屏蔽層、金屬構(gòu)架等搭接并可靠的接地。這樣不盡可以防護(hù)雷電電磁脈沖的影響，若增加屏蔽層得厚度，和屏蔽網(wǎng)孔的密度還可以做到防高頻電磁波的干擾。
等電位連接的目的是防止雷擊時(shí)。均衡建筑物內(nèi)參與等電位連接部件間的點(diǎn)位，使室內(nèi)所有金屬物間不會(huì)出現(xiàn)電位差，也就完成了室內(nèi)所有金屬物的均壓。

3 設(shè)備擺放位置和電纜屏蔽與布線
3．1 設(shè)備擺放位置
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、通信信號設(shè)備的擺放位置應(yīng)安置在不易受到感應(yīng)雷電干擾的地方。因此機(jī)械室不能設(shè)在建筑物的頂層，該處太靠近樓頂防雷系統(tǒng)的金屬網(wǎng)和避雷針。設(shè)備的擺放也不能太靠近外墻，尤其是拐角處，因?yàn)槔纂娏骶哂袃?yōu)先流經(jīng)最外層接地導(dǎo)入地下的特性，雷電流還將優(yōu)先流經(jīng)外墻的拐角處。設(shè)備應(yīng)擺放到機(jī)械室的中央，以便減少感應(yīng)瞬態(tài)過壓威脅的地方。
3．2 電纜的屏蔽與布線
電力電纜、數(shù)據(jù)通信、信號和電話電纜在機(jī)械室內(nèi)同樣可能受到雷電感應(yīng)過壓的威脅。機(jī)械室內(nèi)部得設(shè)備布線盡可能避開建筑物的頂部或墻內(nèi)可能泄放雷電流的導(dǎo)體。當(dāng)電源線和數(shù)據(jù)線纜之間形成的環(huán)形面積越大時(shí)，從電磁耦合感應(yīng)的效果來說，它將會(huì)獲得更多的雷電能量，因此應(yīng)該盡量避免環(huán)形布線。電源、數(shù)據(jù)通信、信號和電話線纜應(yīng)彼此隔離的并排鋪設(shè)。不同的電纜可由不同的電纜槽防護(hù)如，電力電纜可由鋼質(zhì)電纜槽防護(hù)，數(shù)據(jù)電纜可采用外層有禁書編織帶屏蔽層得電纜，其效果取決于材料、結(jié)構(gòu)和電磁波的頻率。

4 接地與等電位防護(hù)
在綜合防雷系統(tǒng)中接地是非常重要的一項(xiàng)措施。建筑物得外部防雷裝置避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)通過引下線向接地裝置泄放雷電流；內(nèi)部防雷裝置建筑物屏蔽必須與接地裝置搭接才能有屏蔽的效果；電子設(shè)備安裝的浪涌保護(hù)器必須與接地連接才有作用。接地終端系統(tǒng)的任務(wù)就是使雷電通常并且迅速的泄放到大地，搭接網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)就是最大程度的減小電位差和電磁場。
4．1 接地終端系統(tǒng)
按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 21714．3—2008建議兩種基本類型的接地排列類型。1)A類排列：此種排列由水平或者垂直接地體連接至每一引下線，接地體的數(shù)目不少于2。2)B種排列：此種排列由建筑物外部環(huán)形導(dǎo)體(至少其總長度的80％)與土壤或基礎(chǔ)接地體接觸而成，此類為網(wǎng)絡(luò)狀。
建筑物內(nèi)如果只有耐雷能力極強(qiáng)的電氣集中設(shè)備時(shí)，可采用A類接地布置，但最好采用B類。如果建筑物內(nèi)擁有大量電子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)使用B類接地布置排列。
4．2 搭接網(wǎng)絡(luò)
為避免建筑物內(nèi)各種設(shè)備出現(xiàn)點(diǎn)位差的危險(xiǎn)，必須建立低阻抗等電位連接網(wǎng)絡(luò)。低阻抗等電位連接網(wǎng)絡(luò)還可以減小電磁場的強(qiáng)度。一個(gè)典型的網(wǎng)狀搭接網(wǎng)要求建筑物上和建筑物內(nèi)的金屬部件多重相互連接(如混凝鋼筋、吊架、金屬管道、電纜槽、地板框架等)。同時(shí)還應(yīng)做一個(gè)搭接母線與屏蔽連接到一起。每一個(gè)金屬或?qū)щ姷牟考苯咏拥鼗蛘咄ㄟ^合適的SPD(浪涌防護(hù)裝置)接地。

電子設(shè)備的保護(hù)地線可以用星形結(jié)構(gòu)或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與搭接網(wǎng)絡(luò)連接如圖2所示。采用星形接法時(shí)，電子系統(tǒng)的所有金屬部件應(yīng)當(dāng)與接地系統(tǒng)完全隔離，而應(yīng)該通過與接地母線與接地系統(tǒng)連接。采用網(wǎng)狀接法時(shí)，電子系統(tǒng)所有金屬部件不必與接地系統(tǒng)隔離，但應(yīng)當(dāng)通過多個(gè)搭接點(diǎn)將電子系統(tǒng)與接地系統(tǒng)連接。

5 SPT(浪涌防護(hù)裝置)
SPD是“浪涌(沖擊)防護(hù)裝置”的英文縮寫。SPD是用來降低持續(xù)時(shí)間有限的浪涌(沖擊)過電壓和過電流的裝置，它可以是單個(gè)或者由多個(gè)非線性的元件組合而成的，也可以是線性元件和非線性元件多功能集合而成的。
用于電氣電子設(shè)備的SPD為低壓SPD。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信、信號和電話線路的接口處安裝防雷設(shè)備是保證設(shè)備免受類還得關(guān)鍵一環(huán)。為實(shí)現(xiàn)等電位防護(hù)，在電源和通信數(shù)據(jù)通道設(shè)置浪涌保護(hù)器。使電源線、通信線和數(shù)據(jù)線與地線之間在雷擊時(shí)實(shí)現(xiàn)宏觀上的等電位。用來限制由電源線侵入電源設(shè)備的雷過壓及過流的浪涌保護(hù)器叫做電源SPD。用來限制數(shù)據(jù)傳輸、通信、信號線侵入控制設(shè)備的雷過壓及過流的浪涌保護(hù)器叫過通道SPD。
通道SPD應(yīng)做到“傳輸?shù)谝唬雷o(hù)第二”，以保證數(shù)據(jù)交換傳輸能夠夠不間斷進(jìn)行，同時(shí)做到在雷害發(fā)生時(shí)能夠保護(hù)設(shè)備安全。電源SPD要求“安全第一，防護(hù)第二”，這是針對電源SPD工作在較大電壓和電流下，自身的安全比防雷重要。因?yàn)槔纂娛切「怕适录?，但SPD是常年接入使用的。
雷害入侵時(shí)SPD應(yīng)該做到：
1)動(dòng)作迅速。將過電壓抑制在保證設(shè)備安全的足夠低的值；
2)SPD的功率與雷電的期望值大，可經(jīng)住大部分雷擊而不損壞；
3)雷電作用完后，SPD必須立即自動(dòng)恢復(fù)常態(tài)。

6 結(jié)論
建筑物外部防護(hù)的目的是在建筑物及其附近遭受雷擊時(shí)，減小入地雷電流產(chǎn)生的電磁感應(yīng)對室內(nèi)設(shè)備的影響。內(nèi)部防護(hù)的目的是遭受雷擊時(shí)，阻擋大氣中的雷電電磁脈沖侵入室內(nèi)影響室內(nèi)設(shè)備。室內(nèi)設(shè)備的電源線路和通信信號數(shù)據(jù)傳輸線路通過合理的布線可以減少雷電電磁脈沖對其的危害。設(shè)置SPD(浪涌保護(hù)裝置)目的在雷害發(fā)生時(shí)與地線結(jié)合，將入侵的小部分雷電流泄放的地下，并將雷電過壓降低到設(shè)備的耐壓水平下。
通上述形成的防線，可以有效的防治雷害發(fā)生時(shí)雷過流、過壓及雷電的電磁脈沖對室內(nèi)計(jì)算機(jī)控制設(shè)備、通信信號設(shè)備的影響，完全實(shí)現(xiàn)等電位防護(hù)?？梢杂行ПＷC設(shè)備運(yùn)行的可靠性，提高站場運(yùn)輸效率。