铁路信号设备雷害分析与保护

易永贵

摘要：文章分析了铁路信号设备普遍遭受的几种雷电危害，为了能够避免铁路信号设备遭受雷害的破坏，对一般的雷害防护措施进行了研究，首先阐述了铁路信号设备的防雷要求，然后将铁路信号设备的防雷分类，最后针对内部防雷措施归纳并提出了三种主要方法，针对外部防雷措施进行归纳并提出了四种主要方法。

关键词：铁路信号设备；雷电危害；防雷措施；雷电电磁冲击；雷电直接冲击 文献标识码：A

中图分类号：U284 文章编号：1009-2374（2017）08-0132-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.063

1 影响铁路信号的一般雷害分析

1.1 雷电电磁冲击

雷电产生电磁脉冲，直接冲击地面或者冲击安装信号接收和发射的地面设施，这样的雷电通常被称为感应雷，是由于云层相互放电或者云地之间放电产生的，电磁脉冲会使信号回路和信号装置发生过流或者过压的情况，而产生的电磁感应会干扰地底深层的电力线路，户外信号传输线和设备自身的电磁感应，从而导致磁感应范围内的相关铁路信号设施连锁破坏。

1.2 雷电直接冲击

雷电发生之后由于大量电荷积聚，产生雷暴现象，在其波及的范围内直接入侵钢轨、地面构架、铁路信号线缆。强大的电流会使击中地点与大地产生高压，并瞬间释放巨大的热量。这种情况会给设备造成毁灭性的伤害，但是出现的几率很小，由于其波及的范围小、发生的概率低的原因，目前对于雷暴防护的研究并没有实际的意义。

1.3 雷电感应

雷电感应是比较普遍的一个现象，自古就有，是由于雷电产生的电流遇到导体之后产生强大的电流或者电压，铁路信号设备一般在1000米内就会接受到雷电感应的打击，一般从电源端口、天线端口、信号设施钢铁构架以及铁路信号线口影响破坏，最终从外而内的影响到铁路信号系统。雷电感应所波及的设备，除了遭到破坏性的打击，还会造成信号设备的放电，产生更多的威胁。

1.4 雷击浪涌

随着电子信号设备的发展和广泛运用，雷击产生的电磁脉冲产生的暂态过电压，以传导、感应和耦合等方式入侵到铁路建筑的信号系统中，暂态过电压沿信号或者电源线路，在设备之间进行传输，产生感应电流并形成浪涌，包括静电浪涌和磁感应浪涌。其中静电浪涌主要由于带有负电荷的雷云与带有正电荷的钢铁设备进行感应释放电流，破坏设备，磁感应浪涌则是由于闪电在空间内产生与时间具有相关性的磁场，作用于通信线路并造成破坏。

1.5 雷电的机械冲击

当雷击作用于两平行的导体时，会产生巨大的安培力，物体或者导线会在安培力的作用下被劈开、折断或者受到拉伸而变形。根据相关公式推导，对于具有折弯的金属构件，比如导线或者金属框架，在弯折处的夹角尽量保证大，最好是钝角，这样才能将雷击产生的电动力降低到最小，否则会导致构件的折断。雷电冲击铁路信号发射设施时，巨大的冲击力会产生强大的热能，水汽在预热之后膨胀，产生机械冲击的力量极大，会直接作用到周围的设备，造成部件的破裂，阻断铁路信号的发生。

2 防止铁路信号遭受雷电干扰的保护措施

2.1 铁路信号设备的防雷要求

铁路信号在列车的运行、铁路的实时状态、铁路信息的维护等环节起着至关重要的作用。铁路信号收发和处理设备的防雷工作十分严苛。

对铁路信号的防雷设备要求在进入信号系统之后，不允许干扰到原设备的工作性能，在遇到雷电冲击之后保证信号出现的破坏程度不足以威胁到列车行驶安全，铁路的信号系统设备能够继续使用。防雷设备的放电特性应与被防护设备在绝缘耐压水平上一致，并且防雷设备的“V-S”曲线在一定的阈值范围内要低于被防护设备的“V-S”曲线。对于使用分层级防雷的设备时，要逐级验证其防护能力，对于第一级的防雷设备，一般采用大容量和快速的设备，同时保证在中级防雷设备的可靠性和连贯性，实现逐级防护的效果。

2.2 铁路信号设备遭遇雷害的一般原因和防雷分类

近年来由于雷害频发，针对具体铁路信号设备的雷害事故分析，雷害的原因一般包括：信号楼外的信号设备没有安装避雷针、信号设备未接地、接触网杆塔的引线与临近的信号电缆未隔离、信号楼的接触网位置较高忽略了接闪设备的安设、信號楼在遇到雷击闪击时室内屏蔽效果不达标。针对雷害分类和事故多发情况，将铁路信号的防雷分为外部防护和内部防护两个方面。

外部防护主要是对信号收发设施的自身进行防雷保护，这一类防雷举措主要包括避雷针、屏蔽网、分流、接地等方法。内部防护则是保护铁路信号收发设施的内部构架，通常是采用合理布线、保护隔离、过电压保护器、屏蔽、等电位连接来实现内部设备的雷电防护。

2.3 铁路信号设备的外部防雷措施

2.3.1 安装避雷针。主要是在室外铁路信号设备较密集的地方安放，避免雷电直接冲击线缆、信号设备和钢轨。避雷针的位置选择需要满足能够使密集区内铁路信号设备全部避免遭受雷击，同时确保避雷针不会因为雷电的冲击产生雷电感应。为了避免电磁感应，避雷针的地线和密集区内的电路布线要有大于20米的安全

距离。

2.3.2 埋设接地网。接地网或者网状接地是埋设在铁路信号楼四周的，要求所设置的接地电阻不大于1Ω。一是这样做将电流大部分都输入大地；二是为了防止过电压对铁路信号设备造成威胁。一般采用铜包钢的物体进行垂直接地，间隔在2.5m左右，采用直径为10～12mm的镀铜圆钢进行水平接地，按照相关标准和实际的情况，埋设的接地网的电阻要和贯通地线连接，阻值在10Ω以内。

2.3.3 设置屏蔽接地栅。屏蔽接地栅就是法拉第笼，将其安装在铁路信号源的周围，主要材料是导电良好的镀锌铜条，并将接地网和其进行连接。铁路信号源由于是由许多小功率信号电气设备、遥控以及低压电子逻辑系统构成，因此需要加装特定的屏蔽网。根据屏蔽网标准规定，网格的均压环全部使用避雷带，规格必须小于3m×3m，实现等电位连接。

2.3.4 增加防雷塔。在铁路信号楼外的设备密集场地、信号楼的周围增加防雷塔。防雷塔的安设应该避免线缆的交叉，防雷塔与线缆间距的要求要满足国标规定的地上和地下距离标准，一般不大于3m。

2.4 铁路信号设备的内部防雷措施

2.4.1 电位均衡连接。雷电入侵设备时，巨大的雷电电流流入大地，在接地建筑体四周放射形呈现电位。如果这个时候铁路信号相关设备进入到这个磁场范围，就会被因为电位差产生的高达数万伏的入侵电压进行冲击而干扰破坏。为了消除这个破坏力极强的电位差，就必须进行电位均衡连接。不管是电源线后者信号线还是金属管道以及接地线等，都要采用过电压保护装置进行电位均衡连接。内部各级防护层的接口处同样要根据这样的要求进行电位均衡处理，而且各个分布区间的需要分别电位均衡，并最后与主等电位连接棒均衡相接。比如铁路信号的内部设备的相关金属管线和地线以及窗栅等都建议接在地栅上，实行电位均衡连接。铁路内部信号设施的金属部件连同金属骨架可以形成一个近似的屏蔽接地栅，解决了雷电引起的破坏力极强的电位差，保护了铁路信号发生设备。

2.4.2 分级保护。针对380V低压线路，按照国家相关的标准，需要进行三级过电压保护。一级保护是将避雷器或保护器加在高压变压器后端到二次低压设备的总配电盘间的电缆内芯线两端；二级保护是将避雷器或保护器加在二次低压设备的总配电盘至二次低压设备的配电箱间电缆内芯线两端；三级保护是将避雷器或保护器加在重要信号设备的前端。该方法对防护器的性能提出了很高的要求，成为了影响该措施的关键。

2.4.3 串接过电流保护装置。感应雷、电磁、无线电和静电对铁路信号设备的干扰是浪涌的主要起因。铁路信号设备经常在外围布置电线电缆，这些电缆是雷电干扰的最直接对象，需要进行十分严格的保护，为了抑制信号系统浪涌电压产生的过电流，避免过电流对微电子设备的危害，建议一般在信号线路入口处串接过电流保护装置。

2.4.4 使用光纤传输。光纤的特点是传输过程中受到电磁的干扰小，具有很好的健壮性，对于精确可靠度高的数据通信接口，诸如计算机的接口、输出输入设备等使用光纤传输能够更加实时安全地完成协议通信，避免雷电的干扰。

3 结语

铁路信号设备是铁路运营系统不可缺少、至关重要的设备。对于铁路信号设备的防雷一直是相关机构研究的重点，虽然在近几年防雷措施取得了进步得到了发展，但是面对雷击事故，面对未来的高铁快速发展，对于防雷措施的研究和铁路信号的保护工作仍然还有很长的路要走。本文阐述的内部防雷措施和外部防雷措施，需要彼此相互配合才能將危险降到最低，铁路信号设备防雷与保护是一个较为综合性的问题，需要在保障基础防雷的前提下进行更加深层次的研究。

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（责任编辑：小 燕）