鐵路信號設(shè)備的雷電危害分析及保護探討

1、鐵路信號設(shè)備的雷電危害分析及保護探討摘要該文對直擊雷、感應(yīng)雷、雷電浪湧進行瞭分析，重 點論述瞭感應(yīng)雷、雷電浪湧對弱電設(shè)備的危害，綜合當今先進防 雷技術(shù)理論，對鐵路信號設(shè)備防雷系統(tǒng)進行探討關(guān)鍵詞感應(yīng)雷雷電浪湧雷電反擊抑制器件接地網(wǎng) 等電位連接1概述伴隨著我國鐵路的飛速發(fā)展，為確保行車安全、提高運輸效 率，鐵道信號設(shè)備也有瞭突飛猛進的發(fā)展。十幾年來，以計算機 技術(shù)為代表的微電子設(shè)備大量應(yīng)用，使信號設(shè)備的核心技術(shù)有瞭 質(zhì)的飛越。由於微電子設(shè)備是弱電環(huán)境工作，容易受電磁脈沖幹 擾，甚至被擊穿損毀。一些微電子器件工作電壓僅幾伏，傳遞信 息電流小至微安級，對外界的幹擾極其敏感，而雷電流產(chǎn)生的瞬 變電磁場對

2、微電子設(shè)備的幹擾和損害尤為嚴重。盡管電子盒在設(shè) 計、生產(chǎn)過程有屏蔽防護，但其成品抗幹擾能力依然很弱，需要 對系統(tǒng)進行整體防護。過去為繼電設(shè)備設(shè)計的防雷系統(tǒng)無法滿足 新的要求，本文嘗試論述新的防雷技術(shù)在鐵道信號領(lǐng)域的運用作 一些探索2雷電電磁脈沖侵入信號設(shè)備的途徑雷電直擊裝置有信號設(shè)備的建築物及裝置有信號設(shè)備的場所附件的構(gòu)築物、地面突出物或大地時，雷電電磁脈沖將在信號 系統(tǒng)內(nèi)産生過電壓和過電流。該現(xiàn)象亦稱空間電磁感應(yīng)感應(yīng)雷是雷電在雷雲(yún)之間或雷雲(yún)對地放電時，在附近的戶外 傳輸信號線路、埋地電力線、設(shè)備間連接線產(chǎn)生電磁感應(yīng)並侵入 設(shè)備，使串聯(lián)在線路中間或終端的電子設(shè)備遭到損害。感應(yīng)雷雖 然沒有直接雷

3、猛烈，但其發(fā)生的幾率比直擊雷高得多。感應(yīng)雷可 分為靜電感應(yīng)雷、電磁感應(yīng)雷兩類向信號設(shè)備供電的電源系統(tǒng)上遭受直接雷擊產(chǎn)生的電磁脈 沖，或電源饋線附近遭受直接雷擊時感應(yīng)在電源線上的雷電電磁 脈沖，經(jīng)電源饋線傳導，在信號系統(tǒng)電源設(shè)備上產(chǎn)生的過電壓和 過電流雷擊信號設(shè)備場地建築物的避雷針（或避雷帶、避雷網(wǎng)）時, 雷電流沿避雷針（或避雷帶、避雷網(wǎng)）引下線進入接地裝置引起 地電位升高，這時，在信號系統(tǒng)接地導體和其他導體間產(chǎn)生的反 擊雷過電壓雷電浪湧是近年來由於微電子設(shè)備的不斷應(yīng)用而引起人們 極大重視的一種雷電危害形式，同時其防護方式也不斷完善。最 常見的電子設(shè)備危害不是由於直接雷擊引起的，而是由於雷擊發(fā)

4、生時在電源和通訊線路中感應(yīng)的電流浪湧引起的在雷暴活動區(qū)域內(nèi)，雷電直接通過建築物構(gòu)架、信號傳輸線 路、鋼軌對地放電所產(chǎn)生的電擊現(xiàn)象，即直接雷擊。直擊雷害發(fā) 生概率很低，微電子設(shè)備抗直擊雷能力也很低，防護設(shè)備又非常 昂貴，一旦發(fā)生也無法完全防護，所以本文不考慮直擊雷害防護,隻對以上其它5種感應(yīng)雷擊危害實施安全防護，重點探討浪湧和反擊過電壓防護3總的防雷原則鐵道信號設(shè)備防雷應(yīng)從單純一維防護轉(zhuǎn)為三維防護，包括:防直擊雷，防感應(yīng)雷電波侵入，防雷電電磁感應(yīng)，防地電位反擊 以及操作瞬間過電壓影響等多方面作系統(tǒng)綜合考慮多級分級（類）保護原則：即根據(jù)電氣、微電子設(shè)備的不同功能及不同受保護程序和所屬保護層確定保護

5、要點作分類保護;根據(jù)雷電和操作瞬間過電壓危害的可能通道從電源線到數(shù)據(jù)通 信線路都應(yīng)做多級層保護按照防護范圍可將弱電設(shè)備的防雷措施分為兩類，外部防護和內(nèi)部防護。外部防護是指對安裝弱電設(shè)備的建築物本體的安全 防護，可采用避雷針、分流、屏蔽網(wǎng)、均衡電位、接地等措施, 這種防護措施人們比較重視、比較常見，相對來說比較完善。內(nèi) 部防護是指在建築物內(nèi)部弱電設(shè)備對過電壓（雷電或電源系統(tǒng)內(nèi) 部過電壓）的防護，其措施有：等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽、保護隔離、 合理佈線和設(shè)置過電壓保護器等措施，這種措施相對來說是比較 新的辦法，也不夠完善，針對弱電設(shè)備防雷的特性機理，對雷電 浪湧及地電位差的防護進行探討從emc （電磁兼容

6、）的觀點來看，防雷保護由外到內(nèi)應(yīng)劃分 為多級保護區(qū)。最外層為0級，是直接雷擊區(qū)域，危險性最高， 主要是由外部（建築）防雷系統(tǒng)保護，越往裡則危險程度越低。保護區(qū)的界面劃分主要通過防雷系統(tǒng)、鋼筋混凝土及金屬管道等 構(gòu)成的屏蔽層而形成，從0級保護區(qū)到最內(nèi)層保護區(qū)，必須實行 分層多級保護，從而將過電壓降到設(shè)備能承受的水平。一般而言, 雷電流經(jīng)傳統(tǒng)避雷裝置後約有50%是直接泄入大地，還有50% 將平均流入各電氣通道（如電源線，信號線和金屬管道等）簡而言之可歸納為以下三條：（1）利用人工引雷裝置直接將雷電流引入地，防止直擊雷 損壞建築或設(shè)備；（2）阻塞沿電源線或數(shù)據(jù)、信號線引入的過電壓波（內(nèi)部 保護及過電

7、壓保護）；（3）限制被保護設(shè)備上浪湧過壓幅值（過電壓保護） 這三道防線，相互配合，各行其責，缺一不可4鐵道信號防雷方案4. 1著信號樓埋設(shè)網(wǎng)狀接地，對地電阻必須小於1歐姆這是對設(shè)備的外部防護，首選是將主要的雷電流引入大地;其次是在將雷電流引入大地的時候盡量將雷電流分流，避免造成 過電壓危害設(shè)備；第三是建築物各點的電位均衡，避免由於電位 差危害設(shè)備；第四是保障建築物有良好的接地，降低雷擊建築物 時接點電位損壞設(shè)備4.2使用良好導電的鍍鋅鋼條在信號樓頂面和四周構(gòu)成屏蔽接地柵（法拉弟籠），與接地網(wǎng)良好連接如圖1所示由於信號樓內(nèi)有大量低壓電子邏輯系統(tǒng)、遙控、小功率信號 電路的電器設(shè)備，需要加裝專門的屏

8、蔽網(wǎng)。根據(jù)國際有關(guān)防雷技 術(shù)標準，應(yīng)在整個屋面組成不大於5m-5m、6m-4m （鐵標規(guī)定不 大於3m-3m）的網(wǎng)格，所有均壓環(huán)采用避雷帶等電位連接；4.3室內(nèi)設(shè)備的各類地線、窗柵、金屬管線都要接在接地柵 上，實行等電位連接這樣也可利用信號樓中的金屬部件以及鋼筋構(gòu)成不規(guī)則的 法拉第籠，起到一定更好的屏蔽作用各個內(nèi)層保護區(qū)的界面處同樣要依此進行局部等電位連接， 而且各個局部等電位連接棒必須相互連接，並最後與主等到電位 連接棒相連。電位均衡連接，就是使導體良好的導電性連接、使 它們達到電位相等，為雷電流提供低阻搞抗道，以使它迅速泄流 入地4.4電源線路入口（室內(nèi)核心電子機櫃的單元電源入口也有 必要

9、）並接過電壓保護器件，抑制電源浪湧電壓，防止浪湧電壓 竄入微電子設(shè)備造成損壞弱電設(shè)備的電源雷電侵害主要是通過電源線路侵入對380v低壓線路應(yīng)進行過電壓保護，按國傢規(guī)范有三部分:在高壓變壓器後端到二次低壓設(shè)備的總配電盤間的電纜內(nèi) 芯線兩端應(yīng)對地加避雷器或保護器，作一級保護（電力防雷范 疇）；在二次低壓設(shè)備的總配電盤至二次低壓設(shè)備的配電箱間電纜內(nèi)芯線兩端應(yīng)對地加裝避雷器保護器，作二級保護;在所有重要的、精密的設(shè)備以及ups的前端應(yīng)對地加裝避雷 器或保護器，作為三級保護以上三級保護的目的是用分流（限幅）技術(shù)，即采用高吸收 能量的分流設(shè)備（避雷器）將雷電過電壓（脈沖）能量分流泄入 大地，達到保護目的，

10、所以，分流邙艮幅）技術(shù)中采用防護器的 品質(zhì)、性能的好壞是直接關(guān)系網(wǎng)絡(luò)保護的關(guān)鍵，因此，選擇合格 優(yōu)良的避雷器或保護器至關(guān)重要4.5信號線路入口串接過電流保護器件，抑制信號系統(tǒng)浪湧 電壓産生的過電流，防止過電流竄入微電子設(shè)備造成損壞信號系統(tǒng)浪湧電壓的主要來源是感應(yīng)雷擊、電磁幹擾、無線 電幹擾和靜電幹擾。鐵道信號設(shè)備有很多鋪設(shè)在戶外的纜線，容 易遭受雷電幹擾，必須實施可靠防護。對於信息系統(tǒng)，應(yīng)分為粗 保護和精細保護。粗保護量級根據(jù)所屬保護區(qū)的級別確定，精細 保護要根據(jù)電子設(shè)備的敏感度來進行確定4.6數(shù)據(jù)通信和測控技術(shù)的接口電路，比各終端的供電系統(tǒng) 電路顯然要靈敏得多，所以必須對數(shù)據(jù)接口電路進行細保

11、護，如 設(shè)置在行車室的終端顯示器、打印接口5新的電子設(shè)備防浪湧器件選用5. 1過電流保護器件選用現(xiàn)在可選擇幾種技術(shù)以提供過流保護，這些技術(shù)包括傳統(tǒng)的 熔絲管（玻璃和陶瓷型）、薄膜保險絲和基於聚合物的正溫度系 數(shù)（ptc）器件(1) 對數(shù)據(jù)通訊接口應(yīng)選用ptc可復位型保險(2) 其它電線路應(yīng)選用具備一定延時的液體斷路器5.2過電壓保護器件選用在任何電子設(shè)備中都可能出現(xiàn)瞬態(tài)電壓，它通常是由電路故 障、雷擊或esd引發(fā)的?，F(xiàn)在已開發(fā)出幾種提供過電壓電路保護 的零配件，包括二極管、mov、mlv、瞬態(tài)電壓抑制器和esd抑制 器(1) 在信號電壓值很低的電子設(shè)備入口並接金屬氧化物變 阻器(mov)；(2) 其它電壓值在15-380v的信號或電源電路可采用多層 變阻器(mlv)5. 3綜合浪湧保護系統(tǒng)的選用對於微機聯(lián)鎖、數(shù)字移頻閉塞或裝有更多電子設(shè)備的車站， 應(yīng)比照自動化控制系統(tǒng)所需的浪湧保護設(shè)計，在系統(tǒng)設(shè)計中進行 綜合考慮。針對自動化控制裝置的特性，應(yīng)用於該系統(tǒng)的浪湧保 護器基本上可以分為三級，對於自動化控制系統(tǒng)的供電設(shè)備來 說，需要雷擊電流放電器、過壓放電器以及終端設(shè)備保護三級在不同等級的放電器之間，必須遵守導線的最小長度規(guī)定。 供電系統(tǒng)中雷擊電流放電器與過壓放電器之間的距離不得小