铁路信号系统防雷措施分析及对策

周宁宁 中国铁路上海局集团有限公司南京电务段

随着中国高铁的迅猛发展，铁路信号设备电子化程度也得到大幅度提高，大量微电子化、智能化信号设备被广泛应用，计算机联锁、列控、CTC 等设备已经逐渐普及，但此类电子化设备的特性决定了其很容易受到雷电影响。近年来，因雷击引起的铁路信号设备故障也频有发生，给正常的铁路运营秩序和高效运行带来了很大的影响。本文通过对雷击的影响及其侵入信号设备的主要途径、常用的防雷措施进行分析，重点针对铁路信号设备的防雷要求和措施进行研究。

1 雷击造成铁路信号设备故障的典型案例

2003 年 6 月 17 日，一道霹雳击中了沈阳北站的信号楼，全站信号控制系统基本瘫痪，造成铁路不能进行正常接发列车作业，十余列客车受阻北站之外，经过铁路工作人员2 个多小时的奋战才恢复正常运输秩序。2004 年 6 月 23 日，受雷击影响，兖州铁路行车信号系统发生故障，从北京、天津开往上海的8 趟列车抵沪晚点。2011 年 7 月 30 日，受雷击影响，宜万铁路宜昌长阳段至巴东段双向信号灯出现故障，致使当时途径该路段的列车全部停运，其中，恩施至北京K50次列车晚点达2 h。

2 雷害类型及常用的防雷措施

2.1 雷害的类型

（1）直接雷。雷电直接击中信号设备，导致设备内部产生过电压、过电流的称之为直接雷。直接雷的危害较大，基本上在一瞬间就完成了对设备的损害，因为电压和电流过高导致设备内部无法承载，造成了破坏性极大的损伤，甚至还有可能导致爆炸情况的发生。

（2）感应雷。感应雷的损害主要是通过静电场实现。雷击发生前会先形成雷云，雷云本身具有强大的电场，在这种静电场内，即使雷电没有击中信号设备，依然可以通过信号线缆、大地以及任何导电物体进入信号设备造成影响。铁路信号设备中的电子元器件数量较多，受感应雷的影响较大。

2.2 常用的防雷措施

（1）配置接闪装置。接闪装置就是避雷针、避雷线、避雷网等。用避雷网与避雷线为基础构成稳定的接闪装置，可形成安全通道，在接收到雷电电流时可在较短时间内将其释放至大地，严格约束雷电的释放通道，实现对设备的防护。

（2）采用均压措施。接闪装置在接闪雷电时，引下来的电压立即产生高电位，会对防雷系统周围仍然处于低电位的导体产生旁侧闪络。为了减少这种危害，最简单的办法就是采用均压环，在接闪装置距离达不到规定的安全要求时，将处于低电位的导体等电位地连接起来并接到接地装置。

（3）屏蔽。利用金属网、箔、壳等导体把需要保护的对象包围起来，将雷电电磁脉冲波入侵的通道全部截断。所有屏蔽套壳均需采取接地处理措施。屏蔽是防止雷电电磁脉冲对电子设备影响最有效的办法。

（4）接地。让已经流入防雷系统的电流顺利流入大地，不让雷电能量集中在防雷系统的某一处对被保护的设备造成破坏，良好的接地才能有效的泄放雷电能量。

（5）分流保护。这是现代防雷技术的重点发展方向，是保护各种电子设备的重要措施。分流就是所有室外来的导体与防雷接地装置或者地线之间并联适当的避雷器，当直击雷或者感应雷过电流顺着导线进入室内时，避雷器的电阻突然降低，过电流就由这些阻值极低的避雷器分流入地了。但仍然可能有少部分电流进入设备，所以应该采用多级分流。

（6）躲避。躲避方式在建筑物选址阶段便得到应用，根据现场的情况确定雷电事故多发区，在安装设备时避开这些地点，从源头上避免雷电袭击。在出现雷电天气时需要视实际情况及时关闭非必要电子设备，并切除电源。

3 信号设备的防雷要求及措施

3.1 雷电侵入信号设备的主要途径

（1）经信号电缆侵入。铁路信号系统中室内设备是通过信号电缆与室外设备连接起来的，雷电从室外电缆侵入，传输至室内设备，造成影响。

（2）经信号交流电源系统侵入。雷电侵入高压线路，随着高压线传至高压变压器，并通过变压器侵入交流低压电源破坏低压侧的信号设备。

（3）经轨道电路侵入。轨道电路用钢轨作为传输线，安装在道床上并高出地面，也容易遭受雷击。

3.2 信号设备防雷的要求和原则

（1）信号设备的基本防雷要求。在有雷电活动的地区，交流电源外线、电子设备、轨道检查装置等与外线连接的信号设备必须安装防雷装置。

（2）信号设备的防雷原则。防雷装置与被防护设备间的绝缘应匹配，雷电将感应过电压限制到被保护的冲击耐压水平以下。正常情况下，防雷装置不应影响被防护设备的工作，受到雷电干扰时，应保证信号设备不得错误动作。采用多级防护时，各级防护元件应配置合理。

（3）信号设备防雷元件的安装要求。室外所用的防雷元件宜安装在线路终端，安装要牢固可靠，便于检测。

3.3 铁路信号设备的防雷因素分析

铁路信号设备防雷是个复杂的综合工程，只靠一两种防雷措施不可能完全消除雷击和感应过电流的影响，必须从雷电侵入途径入手，排除各种不力因素，才能将雷害减少到最低程度。信号设备防雷措施需重点考虑以下几个因素：

（1）铁路信号设备占地面积大、分布范围广，很多设备分布在山区、旷野等容易遭受雷击的地区。

（2）钢轨是雷电电流的良好导体，与钢轨连接的相关铁路设备比如信号机，轨道电路，转辙机等都比较容易受到影响。

（3）自动闭塞、半自动闭塞等信号条件线、控制线在非电气化区段大都使用架空线，架设于信号与通信混合线路或者自动闭塞高压信号线路上，它们通常暴露在旷野郊外，在雷雨季节容易遭受雷击，线路中的大电流会侵入信号机房，从而对室内信号设备造成损坏。

（4）室内防雷的原则是“等电位”，经过等电位连接，使过电压或者过电流以最直接的路径尽快流入大地，以达到保护设备的目的。由于机房存在多种接地系统，其冲击接地电阻不均衡，在发生雷击时会引起地电位差，也容易造成“地电位反击”，使人员或设备遭受损害。

3.4 铁路信号设备的综合防雷措施

铁路信号设备综合防雷措施包括室内防雷和室外防雷两部分，室内防雷是为了防止感应电侵入信号设备造成损坏；室外防雷则是为了避免建筑物或设备受直接雷击破坏。

3.4.1 室内防雷原则

（1）安装过电流保护设备。在铁路信号设备的入口处串接过电流保护设备，可以有效地防范雷电浪涌的问题，对浪涌电压形成的过电流进行有效的控制，从而避免电子设备受到过电流的损害。

（2）实施分级保护。外电网引入机房应采取多级雷电防护，在电源线路设置三级防雷保安器。第一级设置在户外交流电源馈线引入处，目的是将沿电源线路侵入的大部分雷电流通过此级防雷泄放入地；第二级设置在电源屏处，作用是进一步分流残余雷电流并将雷击残压控制在电源屏设备承受范围内；第三级设置在计算机终端电源稳压器或UPS电源前端，将雷击残压降至微电子设备可承受范围之内。

（3）确保电位均衡连接。在雷电侵入信号设备的时候，会在建筑周围的地面出现强烈的电流，使电位呈现放射性，形成电位差对信号设备造成危害。因此，应当在电源线、金属管道、接地线以及信号线等部分装过电压保护设备，以达到消除电位差的效果，实现电位均衡连接。

（4）采取光纤传输。光纤对于电磁感应具有较强的抗干扰能力，在铁路信号设备中，可以采取光纤传输的方式。比如在设备的接口处，采用数据通信接口，通过光纤传输来确保协议通信及时顺利地完成，防止雷电的干扰。

3.4.2 室内防雷具体措施

（1）微机系统通信线路防雷。在微机联锁、微机监测、DMIS 等系统调制解调器双绞线上，分别串联一个双绞线信息线路保护器。当雷电入侵时，防雷器迅速联通，建立起双绞线路与地之间的暂态等电位连接，保护其后的路由器、微机联锁、微机监测、DMIS 等系统的通讯口。

（2）微机联锁信号线防雷。微机联锁的上位机位于微机房，而控制台显示器位于行车室，它们的图像输入信号端由于线路较长，雷击很容易造成雷电感应，一旦显示器遭受雷击损坏将给行车安全带来很大影响。所以要在A、B 上位机显卡输出口前及显示器视频口前分别串接一只视频口信号防雷器。

（3）信号机电缆防雷。信号机室内外电缆均经由分线盘进行连接，所以在分线盘做好防雷措施，对室内信号设备的保护起到关键作用。在室内分线盘信号机的所有去线、回线相应的端子上，加装防雷器作纵向防护。

（4）轨道电路电缆防雷。轨道电路室内送、受电端分别在分线盘相应端子上加装防雷器进行横纵向防护。轨道电路室外送、受电端分别在送、受电端变压器轨道侧安装防雷器，对轨道电路进行横向防护。

（5）信号电源系统防雷。在信号防雷开关箱输入端设置I 级电源防雷箱，在电源屏电源输入端设置II级防雷箱。

3.4.3 室外防雷原则

（1）设置避雷针。为了避免雷电对铁路信号设备形成直接性的冲击，应在信号设备较多的地方设置避雷针。避雷针的地线位置与信号设备的电缆距离在20 m 以上，以对区域内的信号设备形成保护，防止避雷针在直接冲击下产生电磁感应而影响信号设备。

（2）铺设接地网。在信号设备的周围，可以通过铺设接地网的方式将电流引到地下，防止过电压影响到信号设备的正常运行。通常情况下接地网通过垂直的方式进行接地，接地网应当与贯通接地线相互连接。

（3）建设防雷塔。如果区域内信号设备较为密集，可以通过防雷塔的方式来避免雷电灾害。在铺设线缆的过程中，要避免出现交叉现象，严格控制线缆与防雷塔之间的距离。

3.4.4 室外防雷具体措施

（1）机房建筑物防护和屏蔽。由于机房楼层不高，周围往往有高大建筑和其他铁路设备，所以，信号楼的直击雷防护，安装避雷针不是理想的办法。为了抗御直击雷和降低雷电电磁干扰，信号机械室的建筑物采用法拉第笼进行电磁屏蔽。法拉第笼由机房顶部的避雷针网，避雷带，引下线和接地系统组成。它能直接拦截雷击，用作接闪接引雷电流，通过引下线和接地装置引入大地中泄放，保护建筑内设备免收雷害。

（2）室外信号设备防护和屏蔽。室外设备设置防雷元件和防雷地线，信号箱、盒等设备应具有良好的电气贯通和电磁屏蔽性能，箱盒内部设专用的接地端子。箱盒必须接地良好，进入箱盒内部的电源线、信号线应采用屏蔽电缆埋地敷设，屏蔽电缆的金属屏蔽层或钢带要接地。

4 结束语

综上所述，随着中国铁路的高速发展，铁路信号设备在雷雨季节能否安全稳定的运行，对确保稳定有序和运行高效的运输组织有着极为重要的影响。只要在工程建设阶段全面分析雷害的可能途径和影响，细化制定信号设备的综合防雷措施并严格执行，保证施做质量，就一定能确保室内、室外信号设备得到较好的防雷保护。