铁路信号设备的雷电危害分析及保护探讨

[摘要] 该文对直击雷、感应雷、雷电浪涌进行了分析，重点论述了感应雷、雷电浪涌对弱电设备的危害，综合当今先进防雷技术理论，对铁路信号设备防雷系统进行探讨。

[关键词] 感应雷 雷电浪涌 雷电反击 抑制器件 接地网 等电位连接

1 概述

伴随着我国铁路的飞速发展，为确保行车安全、提高运输效率，铁道信号设备也有了突飞猛进的发展。十几年来，以计算机技术为代表的微电子设备大量应用，使信号设备的核心技术有了质的飞越。由于微电子设备是弱电环境工作，容易受电磁脉冲干扰，甚至被击穿损毁。一些微电子器件工作电压仅几伏，传递信息电流小至微安级，对外界的干扰极其敏感，而雷电流产生的瞬变电磁场对微电子设备的干扰和损害尤为严重。尽管电子盒在设计、生产过程有屏蔽防护，但其成品抗干扰能力依然很弱，需要对系统进行整体防护。过去为继电设备设计的防雷系统无法满足新的要求，本文尝试论述新的防雷技术在铁道信号领域的运用作一些探索。

2 雷电电磁脉冲侵入信号设备的途径

雷电直击装置有信号设备的建筑物及装置有信号设备的场所附件的构筑物、地面突出物或大地时，雷电电磁脉冲将在信号系统内产生过电压和过电流。该现象亦称空间电磁感应。

感应雷是雷电在雷云之间或雷云对地放电时，在附近的户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。感应雷虽然没有直接雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。感应雷可分为静电感应雷、电磁感应雷两类。

向信号设备供电的电源系统上遭受直接雷击产生的电磁脉冲，或电源馈线附近遭受直接雷击时感应在电源线上的雷电电磁脉冲，经电源馈线传导，在信号系统电源设备上产生的过电压和过电流。

雷击信号设备场地建筑物的避雷针（或避雷带、避雷网）时，雷电流沿避雷针（或避雷带、避雷网）引下线进入接地装置引起地电位升高，这时，在信号系统接地导体和其他导体间产生的反击雷过电压。

雷电浪涌是近年来由于微电子设备的不断应用而引起人们极大重视的一种雷电危害形式，同时其防护方式也不断完善。最常见的电子设备危害不是由于直接雷击引起的，而是由于雷击发生时在电源和通讯线路中感应的电流浪涌引起的。

在雷暴活动区域内，雷电直接通过建筑物构架、信号传输线路、钢轨对地放电所产生的电击现象，即直接雷击。直击雷害发生概率很低，微电子设备抗直击雷能力也很低，防护设备又非常昂贵，一旦发生也无法完全防护，所以本文不考虑直击雷害防护，只对以上其它5种感应雷击危害实施安全防护，重点探讨浪涌和反击过电压防护。

3 总的防雷原则

铁道信号设备防雷应从单纯一维防护转为三维防护，包括：防直击雷，防感应雷电波侵入，防雷电电磁感应，防地电位反击以及操作瞬间过电压影响等多方面作系统综合考虑。

多级分级（类）保护原则：即根据电气、微电子设备的不同功能及不同受保护程序和所属保护层确定保护要点作分类保护；根据雷电和操作瞬间过电压危害的可能通道从电源线到数据通信线路都应做多级层保护。

按照防护范围可将弱电设备的防雷措施分为两类，外部防护和内部防护。外部防护是指对安装弱电设备的建筑物本体的安全防护，可采用避雷针、分流、屏蔽网、均衡电位、接地等措施，这种防护措施人们比较重视、比较常见，相对来说比较完善。内部防护是指在建筑物内部弱电设备对过电压（雷电或电源系统内部过电压）的防护，其措施有：等电位联结、屏蔽、保护隔离、合理布线和设置过电压保护器等措施，这种措施相对来说是比较新的办法，也不够完善，针对弱电设备防雷的特性机理，对雷电浪涌及地电位差的防护进行探讨。

从EMC（电磁兼容）的观点来看，防雷保护由外到内应划分为多级保护区。最外层为0级，是直接雷击区域，危险性最高，主要是由外部（建筑）防雷系统保护，越往里则危险程度越低。保护区的界面划分主要通过防雷系统、钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层而形成，从0级保护区到最内层保护区，必须实行分层多级保护，从而将过电压降到设备能承受的水平。一般而言，雷电流经传统避雷装置后约有50％是直接泄入大地，还有50％将平均流入各电气通道（如电源线，信号线和金属管道等）。

简而言之可归纳为以下三条：

（1）利用人工引雷装置直接将雷电流引入地，防止直击雷损坏建筑或设备；

（2）阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波（内部保护及过电压保护）；

（3）限制被保护设备上浪涌过压幅值（过电压保护）。

这三道防线，相互配合，各行其责，缺一不可。

4 铁道信号防雷方案

4.1 围着信号楼埋设网状接地，对地电阻必须小于1欧姆。

这是对设备的外部防护，首选是将主要的雷电流引入大地；其次是在将雷电流引入大地的时候尽量将雷电流分流，避免造成过电压危害设备；第三是建筑物各点的电位均衡，避免由于电位差危害设备；第四是保障建筑物有良好的接地，降低雷击建筑物时接点电位损坏设备。

4.2 使用良好导电的镀锌钢条在信号楼顶面和四周构成屏蔽接地栅（法拉弟笼），与接地网良好连接如图1所示。

由于信号楼内有大量低压电子逻辑系统、遥控、小功率信号电路的电器设备，需要加装专门的屏蔽网。根据国际有关防雷技术标准，应在整个屋面组成不大于5m-5m、6m-4m（铁标规定不大于3m－3m）的网格，所有均压环采用避雷带等电位连接；

4.3 室内设备的各类地线、窗栅、金属管线都要接在接地栅上，实行等电位连接。

这样也可利用信号楼中的金属部件以及钢筋构成不规则的法拉第笼，起到一定更好的屏蔽作用。

各个内层保护区的界面处同样要依此进行局部等电位连接，而且各个局部等电位连接棒必须相互连接，并最后与主等到电位连接棒相连。电位均衡连接，就是使导体良好的导电性连接、使它们达到电位相等，为雷电流提供低阻搞抗道，以使它迅速泄流入地。

4.4 电源线路入口（室内核心电子机柜的单元电源入口也有必要）并接过电压保护器件，抑制电源浪涌电压，防止浪涌电压窜入微电子设备造成损坏。

弱电设备的电源雷电侵害主要是通过电源线路侵入。

对380V低压线路应进行过电压保护，按国家规范有三部分：

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应对地加避雷器或保护器，作一级保护（电力防雷范畴）；

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应对地加装避雷器保护器，作二级保护；

在所有重要的、精密的设备以及UPS的前端应对地加装避雷器或保护器，作为三级保护。

以上三级保护的目的是用分流（限幅）技术，即采用高吸收能量的分流设备（避雷器）将雷电过电压（脉冲）能量分流泄入大地，达到保护目的，所以，分流（限幅）技术中采用防护器的品质、性能的好坏是直接关系网络保护的关键，因此，选择合格优良的避雷器或保护器至关重要。

4.5 信号线路入口串接过电流保护器件，抑制信号系统浪涌电压产生的过电流，防止过电流窜入微电子设备造成损坏。

信号系统浪涌电压的主要来源是感应雷击、电磁干扰、无线电干扰和静电干扰。铁道信号设备有很多铺设在户外的缆线，容易遭受雷电干扰，必须实施可靠防护。对于信息系统，应分为粗保护和精细保护。粗保护量级根据所属保护区的级别确定，精细保护要根据电子设备的敏感度来进行确定。

4.6 数据通信和测控技术的接口电路，比各终端的供电系统电路显然要灵敏得多，所以必须对数据接口电路进行细保护，如设置在行车室的终端显示器、打印接口。

5 新的电子设备防浪涌器件选用

5.1 过电流保护器件选用

现在可选择几种技术以提供过流保护，这些技术包括传统的熔丝管（玻璃和陶瓷型）、薄膜保险丝和基于聚合物的正温度系数（PTC）器件。

（1）对数据通讯接口应选用PTC可复位型保险。

（2）其它电线路应选用具备一定延时的液体断路器。

5.2 过电压保护器件选用

在任何电子设备中都可能出现瞬态电压，它通常是由电路故障、雷击或ESD引发的。现在已开发出几种提供过电压电路保护的零配件，包括二极管、MOV、MLV、瞬态电压抑制器和ESD抑制器。

（1）在信号电压值很低的电子设备入口并接金属氧化物变阻器（MOV）；

（2）其它电压值在15－380V的信号或电源电路可采用多层变阻器（MLV）

5.3 综合浪涌保护系统的选用

对于微机联锁、数字移频闭塞或装有更多电子设备的车站，应比照自动化控制系统所需的浪涌保护设计，在系统设计中进行综合考虑。针对自动化控制装置的特性，应用于该系统的浪涌保护器基本上可以分为三级，对于自动化控制系统的供电设备来说，需要雷击电流放电器、过压放电器以及终端设备保护三级。

在不同等级的放电器之间，必须遵守导线的最小长度规定。供电系统中雷击电流放电器与过压放电器之间的距离不得小于10米，过压放电器同仪器设备保护装置之间的导线距离则不应低于5米。

按以上原则设计安装的综合防雷系统在漳龙线铁山洋站和梅坎线坎市站实施后，取得了较好的效果，07年1至8月份未发生影响微机联锁系统的雷害。

参考文献

[1] GB7450－87. 电子设备雷击保护导则

[2] GB50174－93. 电子计算机机房设计规范

[3] TB/T3074－2003. 铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件