摘要：隨著鐵路運輸裝備技術水平的不斷提高，計算機集成技術、接口技術、及通信技術在鐵路信號系統(tǒng)中廣泛應用。鐵路信號系統(tǒng)對雷電的防護要求也就越來越高。根據(jù)站場中信號設備的分布的特點，利用現(xiàn)代防雷手段，對鐵路信號系統(tǒng)綜合防雷，提高信號系統(tǒng)運行的可靠性與穩(wěn)定性。
關鍵詞：鐵路信號；綜合防雷；接地系統(tǒng)；SPD
通信、信號與控制系統(tǒng)等電子設備系統(tǒng)，是列車安全、正點、高速、高密度運行的重要技術裝備。鐵路信號系統(tǒng)故障將會使鐵路運輸遭受巨大的經(jīng)濟損失和造成巨大的社會影響。而雷電災害是電子集成設備系統(tǒng)故障的重要根源。由于微電子元件耐過壓能力低，而雷電高電壓以及雷電侵入時所產(chǎn)生的電磁效應都會對系統(tǒng)造成干擾和損壞。對鐵路信號系統(tǒng)采用綜合防雷手段，可能將雷電災害降低到最低的限度，減少信號系統(tǒng)遭受雷電損害的風險。同時、還能保護線路范圍內(nèi)的人身安全，減小雷電電磁效應對人身的傷害。
1 綜合防雷
建筑物內(nèi)的電子設備的雷電電磁脈沖安全防護是一個系統(tǒng)工程，不是簡單的添加防雷元件和防雷設備便可一勞永逸的。而應該采取機械室屏蔽、合理的布線、規(guī)范的接地和浪涌保護器的等多種措施相結(jié)合的方式，實現(xiàn)雷電的綜合防護。
計算機控制系統(tǒng)，通信信號傳輸系統(tǒng)等設備的綜合雷電防護包括改善設備所處場地的電磁環(huán)境與合理浪涌防護裝置的安裝，可以有效地防止站場附近落雷形成的感應雷和傳到雷進入信號樓內(nèi)對機械室室內(nèi)設備造成破壞，危機行車安全。
2 建筑物的防雷要求
按照系統(tǒng)防護的概念，就是要優(yōu)化設備所處場所的電磁防護。而優(yōu)化電磁環(huán)境則是應該做好建筑物的雷電防護。在規(guī)劃設計機械室時應同時考慮到防雷系統(tǒng)，不僅對新建建筑，而且對已有建筑根據(jù)防雷的原理因地制宜的采取行之有效的方法。
2．1 建筑物防護
1)信號樓在設計時，應當設置良好的避雷帶或避雷網(wǎng)，如果建筑物含有衛(wèi)星接收天線或者雷達，則還可增加設置僅是為保護雷達和天線設備的避雷針，將雷達或天線設備置于避雷針的保護范圍之內(nèi)。
2)避雷帶、避雷網(wǎng)“或避雷針”要有良好泄流地網(wǎng)，即在設計時應做好接地系統(tǒng)，接地系統(tǒng)的布局直接影響均壓效果、等電位結(jié)構(gòu)和地電位反擊等。一般在建筑物基礎上做若干接地體，這些接地體連接成一體，構(gòu)成基礎接地體。此外。還應設置環(huán)形接地體與基礎接地體搭接。
3)新建建筑物中鋼筋做成屏蔽網(wǎng)，主鋼筋和避雷帶或避雷網(wǎng)接為一體，構(gòu)成法拉第籠。
以上這種做法可以是人地的雷電流在建筑物上的不鋼筋均勻分布，減少了雷電流周圍的雷電電磁脈沖。同時也是地電電位上升量變小，減小地電位反擊電壓。
2．2 內(nèi)部防護
在室內(nèi)為形成均壓等電位的結(jié)構(gòu)，減少由雷電流引起的電位差。所有引入和引出的被保護空間的電源線和通信線路或其它導體都和雷電防護等電位搭接，使雷電流導入大地。根據(jù)防雷區(qū)域的劃分如圖1所示，通常將抗干擾能力較弱的電子設備放置于LPZ2區(qū)和LPZ3區(qū)。(LPZ：Lightning protection zone雷電防護區(qū))“內(nèi)部防護”可采用屏蔽、均壓和防閃絡措施。
對機械室來說，屏蔽除了建筑物結(jié)構(gòu)的鋼筋構(gòu)成的屏蔽網(wǎng)外，指的是還要和內(nèi)部的其它金屬結(jié)構(gòu)如防靜電地板、電纜屏蔽層、金屬構(gòu)架等搭接并可靠的接地。這樣不盡可以防護雷電電磁脈沖的影響，若增加屏蔽層得厚度，和屏蔽網(wǎng)孔的密度還可以做到防高頻電磁波的干擾。
等電位連接的目的是防止雷擊時。均衡建筑物內(nèi)參與等電位連接部件間的點位，使室內(nèi)所有金屬物間不會出現(xiàn)電位差，也就完成了室內(nèi)所有金屬物的均壓。
3 設備擺放位置和電纜屏蔽與布線
3．1 設備擺放位置
計算機控制系統(tǒng)、通信信號設備的擺放位置應安置在不易受到感應雷電干擾的地方。因此機械室不能設在建筑物的頂層，該處太靠近樓頂防雷系統(tǒng)的金屬網(wǎng)和避雷針。設備的擺放也不能太靠近外墻，尤其是拐角處，因為雷電流具有優(yōu)先流經(jīng)最外層接地導入地下的特性，雷電流還將優(yōu)先流經(jīng)外墻的拐角處。設備應擺放到機械室的中央，以便減少感應瞬態(tài)過壓威脅的地方。
3．2 電纜的屏蔽與布線
電力電纜、數(shù)據(jù)通信、信號和電話電纜在機械室內(nèi)同樣可能受到雷電感應過壓的威脅。機械室內(nèi)部得設備布線盡可能避開建筑物的頂部或墻內(nèi)可能泄放雷電流的導體。當電源線和數(shù)據(jù)線纜之間形成的環(huán)形面積越大時，從電磁耦合感應的效果來說，它將會獲得更多的雷電能量，因此應該盡量避免環(huán)形布線。電源、數(shù)據(jù)通信、信號和電話線纜應彼此隔離的并排鋪設。不同的電纜可由不同的電纜槽防護如，電力電纜可由鋼質(zhì)電纜槽防護，數(shù)據(jù)電纜可采用外層有禁書編織帶屏蔽層得電纜，其效果取決于材料、結(jié)構(gòu)和電磁波的頻率。
4 接地與等電位防護
在綜合防雷系統(tǒng)中接地是非常重要的一項措施。建筑物得外部防雷裝置避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)通過引下線向接地裝置泄放雷電流；內(nèi)部防雷裝置建筑物屏蔽必須與接地裝置搭接才能有屏蔽的效果；電子設備安裝的浪涌保護器必須與接地連接才有作用。接地終端系統(tǒng)的任務就是使雷電通常并且迅速的泄放到大地，搭接網(wǎng)絡的任務就是最大程度的減小電位差和電磁場。
4．1 接地終端系統(tǒng)
按照國家標準GB 21714．3—2008建議兩種基本類型的接地排列類型。1)A類排列：此種排列由水平或者垂直接地體連接至每一引下線，接地體的數(shù)目不少于2。2)B種排列：此種排列由建筑物外部環(huán)形導體(至少其總長度的80％)與土壤或基礎接地體接觸而成，此類為網(wǎng)絡狀。
建筑物內(nèi)如果只有耐雷能力極強的電氣集中設備時，可采用A類接地布置，但最好采用B類。如果建筑物內(nèi)擁有大量電子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，應當使用B類接地布置排列。
4．2 搭接網(wǎng)絡
為避免建筑物內(nèi)各種設備出現(xiàn)點位差的危險，必須建立低阻抗等電位連接網(wǎng)絡。低阻抗等電位連接網(wǎng)絡還可以減小電磁場的強度。一個典型的網(wǎng)狀搭接網(wǎng)要求建筑物上和建筑物內(nèi)的金屬部件多重相互連接(如混凝鋼筋、吊架、金屬管道、電纜槽、地板框架等)。同時還應做一個搭接母線與屏蔽連接到一起。每一個金屬或?qū)щ姷牟考苯咏拥鼗蛘咄ㄟ^合適的SPD(浪涌防護裝置)接地。
電子設備的保護地線可以用星形結(jié)構(gòu)或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與搭接網(wǎng)絡連接如圖2所示。采用星形接法時，電子系統(tǒng)的所有金屬部件應當與接地系統(tǒng)完全隔離，而應該通過與接地母線與接地系統(tǒng)連接。采用網(wǎng)狀接法時，電子系統(tǒng)所有金屬部件不必與接地系統(tǒng)隔離，但應當通過多個搭接點將電子系統(tǒng)與接地系統(tǒng)連接。
5 SPT(浪涌防護裝置)
SPD是“浪涌(沖擊)防護裝置”的英文縮寫。SPD是用來降低持續(xù)時間有限的浪涌(沖擊)過電壓和過電流的裝置，它可以是單個或者由多個非線性的元件組合而成的，也可以是線性元件和非線性元件多功能集合而成的。
用于電氣電子設備的SPD為低壓SPD。計算機控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信、信號和電話線路的接口處安裝防雷設備是保證設備免受類還得關鍵一環(huán)。為實現(xiàn)等電位防護，在電源和通信數(shù)據(jù)通道設置浪涌保護器。使電源線、通信線和數(shù)據(jù)線與地線之間在雷擊時實現(xiàn)宏觀上的等電位。用來限制由電源線侵入電源設備的雷過壓及過流的浪涌保護器叫做電源SPD。用來限制數(shù)據(jù)傳輸、通信、信號線侵入控制設備的雷過壓及過流的浪涌保護器叫過通道SPD。
通道SPD應做到“傳輸?shù)谝?，防護第二”，以保證數(shù)據(jù)交換傳輸能夠夠不間斷進行，同時做到在雷害發(fā)生時能夠保護設備安全。電源SPD要求“安全第一，防護第二”，這是針對電源SPD工作在較大電壓和電流下，自身的安全比防雷重要。因為雷電是小概率事件，但SPD是常年接入使用的。
雷害入侵時SPD應該做到：
1)動作迅速。將過電壓抑制在保證設備安全的足夠低的值；
2)SPD的功率與雷電的期望值大，可經(jīng)住大部分雷擊而不損壞；
3)雷電作用完后，SPD必須立即自動恢復常態(tài)。
6 結(jié)論
建筑物外部防護的目的是在建筑物及其附近遭受雷擊時，減小入地雷電流產(chǎn)生的電磁感應對室內(nèi)設備的影響。內(nèi)部防護的目的是遭受雷擊時，阻擋大氣中的雷電電磁脈沖侵入室內(nèi)影響室內(nèi)設備。室內(nèi)設備的電源線路和通信信號數(shù)據(jù)傳輸線路通過合理的布線可以減少雷電電磁脈沖對其的危害。設置SPD(浪涌保護裝置)目的在雷害發(fā)生時與地線結(jié)合，將入侵的小部分雷電流泄放的地下，并將雷電過壓降低到設備的耐壓水平下。
通上述形成的防線，可以有效的防治雷害發(fā)生時雷過流、過壓及雷電的電磁脈沖對室內(nèi)計算機控制設備、通信信號設備的影響，完全實現(xiàn)等電位防護。可以有效保證設備運行的可靠性，提高站場運輸效率。
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