浅析铁路信号设备雷电危害及防护

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摘要：近年来，随着电气化铁路知识的普及和高铁线路的开通，铁路新技术应用越来越广泛，电子元件的使用逐渐增多。但是，铁路信号设备却成为雷电袭击的主要目标，所以做好信号系统的防雷，尽可能地预防和减少雷电对信号设备 的袭击，显得尤为重要。从雷电对信号设备的危害、信号设备常用的防雷元件、现场信号设备的综合防雷等几个方面对铁路信号设备防雷进行了论述。
关键词：铁路；信号设备；雷电；危害；防护
前言
列车的有效运行离不开铁路信号设备，而铁路信号设备直接决定铁路的运输安全以及运输效率。伴随着我国经济和技术水平的不断发展和完善，一些绝大多数由微电子元件组成的微机联锁、微机监测、TD-CS，CTC，ZPW-2000A，LKJ，CTC 和自动化驼峰调车等新设备被广泛应用到铁路信号设备中，但是它们具有额定电流、电压值低、易受外界干扰等特点，而铁路信号设备大多数设置在如山区、旷野等雷害易发生地区，设备线长、分布点比较广，由此可见，其容易受到不明雷电的袭击，对铁路信号设备的正常运行造成干扰。基于此，笔者认为需要采取有效措施减少或预防雷电对铁路信号设备的袭击，保证其正常运行。
1雷电和雷害
雷电是自然界中雷鸣和闪电相伴的放电现象；雷害是指雷电流从云中释放到大地，对其释放通道所产生的危害，地面上的凸出物体或者相对较高的建筑物都容易受到雷电的袭击。
对铁路信号设备来说，电子设备集中，高架线、线路交汇处或连接处等部位都容易发生雷击。常见的雷电有直击雷、球形雷、感应雷和雷电波侵人。直击雷和感应雷发生的频率较高，产生的电磁场影响范围较大，是危害信号设备的主要雷电。
2雷电袭击的主要方式
雷电对铁路信号设备的危害十分严重又无处不在，其中以交流电源线、轨道电路和电缆等部位形成攻击对象。信号设备被雷击后，可能出现联锁机显示器黑屏、区间信号机灯光显示错误、电源屏突然停电、轨道电路红光带、进路突然解锁、道岔错误转换工艺或信号传输中断等故障，影响正常行车。
2.1交流电源线
当高幅度的雷电压袭击交流电源线时，雷电压会传至高压变压器，如果该变压器的防雷装置失效，就会被雷电压击穿，导致雷电压接入交流低压电源，传输给信号设备，使电子设备遭到破坏。当高压变压器被较低幅的雷电压袭击时，本身不能被直接击穿，但电容耦合同样会使雷电波侵入低压回路，干扰信号设备运行。
2.2轨道电路
轨道安装在轨枕上，轨道电路以钢轨作为传输线，尤其在高山、树木、桥隧等处的轨道电路是雷电袭击的主要对象。当雷电袭击时，轨道电路因其本身有一定的电阻，同时避雷器产生泄露，致使雷电袭击产生的电流不能立即泄放，易使轨道电路设备器材损坏或显示红光带。
2.3电缆
电缆是连接铁路信号室内、外设备的桥梁，当电缆或电缆附近的大地遭受雷电袭击时，电缆保护套可能被雷电流击穿，使得雷电流直接流入电缆芯线或沿电缆铠装流动，进而传到室内袭击室内信号设备。
3信号设备防雷
3.1常用的防雷元件
目前，在铁路信号防雷领域，气体、固体放电管、氧化锌压敏电阻器和瞬变电压抑制器的应用较多。气体放电管，是短路型过电压保护元件，一般用在保护器件、开关器件中，固体放电管在通信领域应用较多。压敏电阻器，是电阻在一定的电流电压值内，可随电压变化而改变的元器件，是一种常用的电冲击保护器件。常见的压敏电阻器为氧化锌压敏电阻器，有一般氧化锌压敏电阻器和劣化指示氧化锌压敏电阻器两种。它被广泛应用于通信、工业控制、交通、甩力等电子电器设备防雷中，也可应用于电磁系统的防雷工程中，是铁路信号设备防雷设备采用的主要元件。
现场应用较广泛的防雷装置是由以上防雷元件组成的防雷保安器，其安全性和可靠性较高，常用的有电源防雷保安器和通道防雷保安器。
3.2信号设备防雷原则
在正常情况下，信号设备安装的防雷装置不影响设备的正常工作；当发生雷电袭击时，防雷装置启动，保护信号设备。
对于防雷保安器并联安装时，注意不能构成短路；串联时，不能构成开路；接地时，除放电以外不能导通；发生劣化或有损坏时，立刻与电路断开，并给出报警提示。
此外，防雷装置和信号设备两者之间的绝缘应匹配，将雷电感应过电压限制到被保护的冲击耐压水平之下。
3.3日常防雷措施
3.3.1室内防雷
信号设备的室内防雷重点是电源防护、信道防护和机房屏蔽。电源防护一般采用多级防护，其防护的关键部位由交流电源三相线引入，电源屏前、用户终端电子设备比如UPS电源前，分别为电源的I，II，III级防护，其中I级防护三相线每一相的状态应具备显示功能、故障报警和雷电计数的功能。电源防雷保安器和电源防雷箱是常用的防雷设备，电源防雷保安器应独立设置在分线盘处，电源防雷箱的防雷保安器应具有劣化指示功能。
信道是信息传输的通道。如果信道遭到破坏，会使信息传输中断或信息受到干扰误传，致使信号设备无法可靠工作，影响行车，严重时可导致整个路网瘫痪，所以信道也是防雷的重点部分。信道防雷常用的防雷设备有通道浪涌保护器、同轴浪涌保护器和通道防雷保安器等，它的防雷保安器应在分线盘处集中设置，并具有即插即用的功能。
机房内墙应该选用铁磁材料作为屏蔽材料，地板可以选用静电地板，室内金属构件应该等电位连接。
3.3.2室外防雷
室外信号设备的外壳（金属箱、盒、柜）应接地，并选用具有良好的电磁屏蔽和电气贯通性能的材料制作。电缆通常用屏蔽电缆，并将屏蔽层接地；如果用非屏蔽电缆，必须将其穿在钢管内，埋地敷设，同时将钢管接地。此外，钢轨不能代替地线。
信号机械室装有电子设备机房建筑物，应该采用法拉第笼屏蔽。“法拉第笼”即由避雷带、引下线、接地系统、机房屏蔽和屋顶避雷网组成的屏蔽系统。
在电子设备集中区，距离电子设备或建筑物30m外的地方可安装独立避雷针。
3.4安装要求
防雷元件的设备应具有集中性，这样的安装效果是为了保证其牢固稳定，也便于检测和维护。如果现场设置专门的防雷分线柜，可以整合成一体的防雷单元以插件的形式直接插在防雷分线柜内，进而接入被保护电路。防雷分线柜的使用使分线、防雷一体化，便于维修和测试。
3.5日常管理与维护
防雷装置安装完成后并不是可以放任不管，而是应该建立健全相应的管理维护制度，安排专门的工作人员进行管理和维护，对防雷设备的性能、检查情况等信息做好详细的记录并完成最后的存档工作。除此之外，负责人还需要具备专业防雷知识和经验，一旦发生故障时能够在有效的时间范围内做出最好的处理。对于检测指标不符合标准的产品，需认真记录，发现问题及时解决，最终保证防雷装置的正常运行。
4结语
近几年来，随着信号设备技术的发展，逐步实现由继电联锁向微机联锁的自动化控制转换，对雷电干扰提出了更高的要求，为更有效地防止雷电干扰，不仅对信号机械室所在建筑物进行了天网、地网的防护，又特别对微机联锁设备的专用机房进行了又一次法拉第笼式屏蔽，更有效地解决了雷电感应电动势对微电子设备的干扰。但铁路信号的雷电防护是一个复杂、永久的课题，如何做到有效的防护，还需进一步的研究、探讨和实践。
参考文献：
[1]铁道部工程设计鉴定中心.铁路综合接地和信号设备防雷系统工程设计指南[M].北京：中国铁道出版社，2010
[2]陈爱全.铁路信号设备的需电防护[J].河北能源职业技术学院学报，2009（02）