DBSE技术在铁路站场信号楼雷电防护上的应用

宋霄薇　张　玲　吕　艺

（河南科技大学1）　河南洛阳　471003　郑州铁路局2）　河南郑州　450000）

DBSE技术在铁路站场信号楼雷电防护上的应用

宋霄薇1）张玲1）吕艺2）

（河南科技大学1）河南洛阳471003郑州铁路局2）河南郑州450000）

铁路站场信号楼内分布着大量与列车运行有关的电子通讯信号设备，这些设备对直击雷和感应雷敏感。当雷暴发生时，由于地理位置的特殊性，信号楼成为雷击的高发点，易发生事故，从而影响行车安全，亟需防范。由于雷电发生的随机性、瞬时性，铁路站场信号楼的雷电防护是一个整体的综合工程。DBSE技术是由分流（Dividing）、均压（Bonding）、屏蔽（Shielding）和接地（Earthing）共同构成的综合防雷技术，将其应用到铁路站场信号楼的雷电防护上，能够全面、系统的对信号楼进行直击雷和感应雷的防护。

雷电防护DBSE技术法拉第鼠笼SPD（电涌保护器）防护

雷电是一种常见的自然现象，全世界每年都会发生几百万次以上。由于短时间内的高温、大电流、强冲击波及电磁脉冲的破坏作用会给人类的生产和生活带来严重的危害[1]。而铁路站场的信号楼内集中了大量与列车运行相关的电子通讯信号设备，其耐压低，集成度高，对雷电较敏感。雷暴会使这些设备损坏，直接影响到列车行车的安全。

信号楼遭受雷击的主要形式有直击雷和感应雷。当直击雷发生时，雷电直接击在信号楼楼体上，瞬间有巨大的雷电流流过。楼体在极短的时间内由于热效应、电效应和机械效应会发生极大损坏，甚至人员的伤亡。感应雷也称为“二次雷”，主要在二个方面对信号楼造成危害。一是当信号楼周围大地或其接地体遭受直击雷时，会造成地电位反击，在电气电子设备上产生过电压，使之遭到损坏。二是雷暴放电时所形成的低频、宽频谱的脉冲冲击波，其电流峰值大而且随时间变化快，能够对电子通信设备产生严重的电磁干扰，影响其正常工作[2,3]。同时其能够在楼外的电源、信号等传输线上产生强大的感应过电压，如果此电压沿线路进入了设备内部，将会将其烧毁[4]。

由于雷电的发生具有随机性、瞬时性，因而其防护是一个综合的系统工程。由分流（Dividing）、均压（Bonding）、屏蔽（Shielding）、接地（Earthing）构成的DBSE技术，能够构成一个完整的雷电防护体系。若将此技术应用到铁路站场信号楼的雷电防护上，可以全面、系统的防护直击雷和感应雷。

1　DBSE技术的应用

1.1分流

雷电流在进入信号系统之前，尽可能多的流入大地。

接闪器是成熟的直击雷防护设施，接闪杆、接闪线、接闪带和接闪网是常用的接闪器形式。依据需要将不同形式的接闪器置于信号楼楼顶。当遭遇直击雷时，由于其高于楼体而将雷电流引向自身[5]，通过下线及接地装置将雷电流迅速分流入大地。从而承接了直击雷放电而保护了楼体及楼内设备。

为防止由雷电电磁感应而产生的过电压、过电流，可在电源、信号等传输线穿越不同防雷保护区（lightning protection zone ，LPZ0～n）时安装电涌保护器SPD。SPD是一种电子器件，通过把雷电流分流入地而使雷击时所产生的瞬时过电压降低到设备所能承受的水平，保护了电气电子设备的安全。

对于电源系统可采用多级SPD，如图1所示。前级的通流量值较大（最大通流量为20kA），后级通流量值相对较小。限制电压则是逐级递减。通过各级SPD间的相互配合，将传输线上的雷电流短路泄放至大地，雷电能量得到逐级释放，从而使设备上的电压箝制在安全水平上，防止了雷击的发生。

图1　电源系统多级防护

1.2均压

即等电位连接[6,7]，是通过金属导体将信号楼内分开的各导电物体电气连接起来，使整个信号楼成为一个良好的等电位体。

通过将信号楼所有不同功能的地线（包括工作地、防雷地、防静电地等）组成一个联合接地网，形成共地等电位，从而楼内的电子设备共用了一个接地系统，防止了地电位反击。

在信号楼室内作等电位连接时，可采用扁钢或圆钢制成环形水平金属带与防雷接地装置相连，称为均压环或等电位连接带。将显示屏、电源屏等电子设备的屏蔽地、工作地等就近连接到均压环上。

1.3屏蔽

用金属网、金属壳或金属管等将电子信号设备包围起来，成为法拉第笼。

法拉第笼包括外笼和内笼二种形式。

外笼是由信号楼外墙体的所有立柱主筋及屋顶的金属构件所形成的大空间屏蔽笼，能够将楼整体罩住，形成全屏蔽。当发生直接雷时，由于集肤效应，雷电流将会沿墙体的立柱主筋泄流入地，大大减小了地电位反击。同时也对楼顶接闪器的引雷泄流起到了辅助作用。

内笼，指的是在楼内加设电磁屏蔽间，将各种无线、有线通信弱电系统（其工作电源为直流48V、2V、5V等）罩住。这样的电磁屏蔽间，不仅能够屏蔽雷电时产生的电磁辐射，还可以屏蔽如GSM-R（铁路全球移动通信系统）等其它电磁波，同时又制约了通信系统所产生的电磁波向外辐射，改善了楼内的电磁环境，达到了电磁屏蔽的双重目的。

信号楼的法拉第笼如图2所示：

图2　法拉第外笼、内笼示意图

1.4接地

使接闪器接纳的雷电流迅速地流入大地，不滞留在被保护物上而导致破坏作用的产生。

接地是雷电防护技术的基础[8]。接地体电阻值越小，雷电流泄入大地就越迅速，危险性也就越低。埋入土中并与大地直接接触的各类金属导体都可以作为接地体来使用，其接地线电阻与接地体对地电阻之和称为接地电阻值，计算时为接地体对地电压与通过接地体流入大地的雷电流的比值。按照来源不同可分为二种：人工接地体和自然接地体。

若信号楼为现代建筑，其钢框架及混凝土内互相连接的钢筋网或地下金属结构，只要其特性符合表3中所列材料要求，就可用做自然接地体。

表1　自然接地体材料

若信号楼的钢筋混凝土基础不适合作为接地体时，就需要单独敷设人工接地体，为沿楼四周的一个闭合环形，包括垂直接地体、水平接地体。同时，接地体还应具有合适的形状和尺寸，以避免雷击时产生的跨步电压及接触电压。

2　结语

将DBSE技术应用到铁路站场信号楼的雷电防护上，使其成为一个综合的整体工程，各防雷器件间相互配合，协调工作，实现多级、层层泄流，有效地保护了信号设备，从而使列车的行车安全得到保证，达到了雷电防护的目的。

[1]Li W , Zhao GQ , Wang P . Investigation on a typical scattered lightning strike case and response measures[J]. Meteorological and Environmental Research, 2013, 4(7): 8-9, 14

[2]魏明.雷电电磁脉冲及其防护[M].北京:国防工业出版社, 2012: 70-100

[3]周璧华,陈彬,石立华.电磁脉冲及其工程防护[M].北京:国防工业出版社,2003: 200-220

[4]Yang SJ, Chen SD, Zhang YJ. Characteristics analysis of the induced overcurrent generated by close triggered lighting on the overhead transmission power line[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2010, 16(1): 59-65

[5]王代新,李家启,江孟蜀.求证避雷针雷电防护机理的新探索[J].重庆工商大学学报(自然科学版), 2011, 28(1): 46

[6]张小青.建筑物内电子设备的防雷保护[M].北京:电子工业出版社, 2000: 25-50

[7]肖稳安,张小青. 雷电及其防护基础[M].北京:气象出版社, 2006: 20-40

[8]Yang L, Wu GN, Cao XB. An optimized transmission line model of grounding electrodes under lightning currents[J]. Science China(Technological Sciences), 2013, 2: 335-341

Application of DBSE Technology in Lightning Protection of Signal Buildings of Railway Station and Yard

SONG Xiaowei1），ZHANG Ling1），LV Yi2）
( Henan University of Science and Technology1）Luoyang471003 Zhengzhou Railway Administration2），Zhengzhou450000)

In the signal buildings of railway stations and yards, there are many pieces of electronic communication signal equipment related to the train operation, and they are sensitive to direct lightning flash and induction lightning flash. When lightening occurs, the buildings will become the “hot spot” of lightning strikes due to their special geographic location. There will be more chances for an accident that will affect the safety of train running. So the lightning protection is in need. Because of the randomness and instantaneity of lightning, lightning protection of signal buildings of railway station and yard is an overall and integrated engineering. DBSE technique is a comprehensive lightning protection technology that consists of Dividing, Bonding, Shielding and Earthing. If we introduce this technology to lightning protection of signal buildings of railway station and yard, it can completely prevent direct lightning flash and induction lightning flash to them.

lightning protectionDBSE techniqueFaraday cageSPD (surge protective device)

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1673-1816(2015)04-0013-04

2015-10-14

宋霄薇（1971－），女，汉，河南洛阳人，硕士，讲师，研究方向电子工程。