廣東中為智能防雷技術(shù)有限公司
鐵路通信信號防雷方案（包含接地系統(tǒng)、浪涌保護器配置以及防雷技術(shù)展望）
1歷史沿革
原鐵道部是我國最早開展電氣電子系統(tǒng)弱電設(shè)備雷電防護的國家單位之一，早在1965年就批示在鐵道部科學研究院通信信號研究所設(shè)立專題組，開展鐵路通信信號設(shè)備雷電防護工作，從此開啟了我國鐵道行業(yè)現(xiàn)代防雷技術(shù)的研究。經(jīng)過8年的走訪和調(diào)研，對鐵路運營線路的雷害情況有了全面的了解，掌握了大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，最終完成研究報告。以此工作為基礎(chǔ)，1973 年12月鐵道部科技司、電務局牽頭共同成立“鐵道部信號防雷小組”，負責規(guī)劃全路信號防雷工作，組織協(xié)調(diào)各部門信號防雷工作的開展，以及信號防雷技術(shù)標準的歸口和日常管理工作等;委派鐵科院通號所擔任組長單位并設(shè)立秘書處，成員由研究、設(shè)計、生產(chǎn)單位及各鐵路局電務處等組成，同時在鐵科院通號所建立“鐵道部信號防雷中心實驗室”，后改為“全路信號防雷中心實驗室”，承擔各類防雷產(chǎn)品的測試、檢驗工作。
進入80年代，我國國民經(jīng)濟快速發(fā)展，鐵路行業(yè)也迎來了新一輪的發(fā)展浪潮。隨著鐵路路網(wǎng)建設(shè)的密集化和電氣化，為進一步減少 雷擊造成的事故,減輕雷害的損失，原“鐵道部信號防雷小組”調(diào)整部署更名為“鐵道部電務防雷小組”，并成立“鐵道部防雷工作指導小組”，統(tǒng)籌規(guī)劃協(xié)調(diào)科研、設(shè)計、制造、施工、維修等部門的防雷工作，從而更好地服務于電務專業(yè)。1987 年以鐵電務[ 1987] 577號部令發(fā)布了《鐵路信號設(shè)備雷電防護辦法》。隨著[ 1987] 577號文的發(fā)布實施，全路開展實施大規(guī)模的鐵路通信信號設(shè)備防雷改造，三年內(nèi)投入大量資金，使得雷害大幅減少。1990 年“鐵道部電務防雷小組”對1987年-1989年全路信號設(shè)備防雷情況進行了統(tǒng)計，全路重點站段的雷害減少了70%以上, .1989年信號設(shè)備雷害導致的故障延時較1986 年減少了56.5%，鐵路通信信號設(shè)備防雷能力大大提高。1991年基本完成了全路防雷規(guī)劃綱要中規(guī)定的各項任務，自1992年開始相繼深入開展鐵路通信信號設(shè)備雷電防護研究、技術(shù)標準和規(guī)范的制定、防雷產(chǎn)品的開發(fā)等各項工作,使行業(yè)內(nèi)防雷工作有序進行，鐵路運營得到了近十年的相對平靜期。
隨著計算機等電子設(shè)備在鐵路信號系統(tǒng)的廣泛應用，以及鐵路運輸日趨繁忙，加強信號設(shè)備的防雷工作迫在眉睫。2006年原鐵道部運輸局組織起草并發(fā)布《鐵路信號設(shè)備雷電及電磁兼容綜合防護實施指導意見》( 鐵運[ 2006] 26號)，隨后在全路再次開展為期三年主要針對鐵路既有站的大規(guī)模綜合防雷整治,使得鐵路通信信號防雷工作能夠持續(xù)有效地進行。
2防雷技術(shù)
鐵路通信信號設(shè)備綜合防雷系統(tǒng)框圖如圖1所示，它由外部防雷、內(nèi)部防雷和綜合接地構(gòu)成。
2.1 外部防雷措施
外部防雷措施用于直擊雷防護，并改善信號設(shè)備所處場地及機房電磁環(huán)境條件，包括接閃器(避雷針、避雷網(wǎng)、帶)、引下線，相互連接并與信號樓建筑物地網(wǎng)(接地裝置)連接，雷擊發(fā)生時可以將直擊雷的巨大能量引導到大地耗散掉，避免對機械室內(nèi)的通信信號設(shè)備產(chǎn)生直接的破壞。外部防雷措施如圖2所示。
2.2內(nèi)部防雷措施
內(nèi)部防雷措施用于防止或減小雷電流在需防護空間內(nèi)所產(chǎn)生的雷電電磁感應脈沖對微電子設(shè)備的傷害，主要由信號機械室屏蔽、均壓等電位連接及接地等措施構(gòu)成。充分合理地利用建筑物內(nèi)的各種金屬構(gòu)件接地構(gòu)成屏蔽體(包括法拉第籠)，使其與地電位等值，除了建筑物結(jié)構(gòu)鋼筋做成的屏蔽網(wǎng)外，還要和建筑物內(nèi)的其它金屬結(jié)構(gòu)如金屬構(gòu)架、電纜屏蔽層、防靜電地板等搭接并可靠的接地，組成初級屏蔽網(wǎng)。信號機房頂部及四面墻.上加裝鐵質(zhì)的屏避網(wǎng)或屏蔽板，并且與機房建筑物地網(wǎng)可靠電氣連接，防靜電地板支柱亦應采用紫銅箔與地網(wǎng)可靠電氣連接。均壓措施是在信號機房內(nèi)墻體四周合適位置設(shè)立銅質(zhì)等電位連接排，分別供機房內(nèi)電源防雷箱浪涌保護器SPD接地、防雷分線柜信號浪涌保護器SPD接地、電磁兼容和屏蔽接地。各種等電位連接排都由建筑物接地網(wǎng)分別接引。對于進入建筑物的信號電纜的金屬鋼帶、鋁護套應在建筑物界斷開并與地網(wǎng)有效電氣連接，防止雷擊時金屬鎧裝上的雷電流侵人信號機械室引發(fā)雷害。2.3 接地與布線
車站采用綜合接地系統(tǒng)，交流工作接地、直流工作接地、安全保護接地、防雷接地共用接地裝置,引入室外埋設(shè)接地網(wǎng)。機械室建筑物地下部分建成面積大的接地網(wǎng)(自然接地體)，面積小的機械室建筑物四周還應設(shè)立由垂直接地體和水平接地體組成的環(huán)形接地網(wǎng)。車站采取總等電位連接措施和局部等電位連接措施在LPZ0A ( 直擊雷非防護區(qū))或LPZOB (直擊雷防護區(qū))與LPZ1 ( 第一防護區(qū))交界處設(shè)置車站設(shè)備總等電位接地端子板。機械室內(nèi)的各種等電位接地排與接地網(wǎng)及不同引接點進行可靠電氣連接。機械室內(nèi)未經(jīng)防護的信號線纜(臟線)和已經(jīng)過防護的線纜(凈線)分開敷設(shè)或加鐵質(zhì)管(槽)敷設(shè)。同時為避免干擾，電力電纜與通信電纜、信號電纜、控制電纜等應分開敷設(shè)或加鐵質(zhì)管(槽)敷設(shè)。當電力電纜與通信信號電纜并行敷設(shè)時,兩者間距應不小于150 mm;兩者垂直交叉時，其間距應不小于50 mm。
2.4 浪涌保護器SPD
所有從室外來的導線(包括電力電源線、電話線、信號線)都應通過加裝浪涌保護器SPD進行防護，將沿導線傳導引人的雷電電磁感應過電壓通過SPD泄放人地，達到暫時“等電位”電源線感應的浪涌，主要來自電力線路遭直擊雷或線路附近落雷感應的雷電電磁脈沖，沿電力線傳導進人電源配電室。一般電力線傳導的雷電流都較大，應選用較大耐過電流能力并具有劣化脫離裝置的電源防護設(shè)備(電源防雷箱)。電源防護通常按照三部位考慮，第-部位安裝在雷電防護分區(qū)(LPZ0-LPZ1 )處，即建筑物室內(nèi)與室外界面，并聯(lián)安裝在電源配電室;第二部位安裝在車站信號機械室內(nèi)電源線引入處;第三部位設(shè)置在電源屏或終端用電設(shè)備處，計算機設(shè)備電源線前還可安裝串聯(lián)型電源防護裝置，提供更好的精細防護。鐵路信號設(shè)備信號傳輸線宜采用埋地信號電纜，其傳導引人的感應雷電電磁脈沖較小，每條線對地的感應雷電流都在數(shù)百安培量級，通常采用較低耐過電流的鐵路信號浪涌保護器防護，并集中設(shè)置在鐵路信號防雷分線柜中。防雷分線柜作為信號傳輸線室內(nèi)與室外分界面應妥善采取合理的接地措施，特別是信號電纜一次、 二次成端接地。對于室內(nèi)通信信號設(shè)備間的傳輸線纜亦應采取有效的屏蔽與防護措施，嚴格遵循鐵路行業(yè)相關(guān)的標準與技術(shù)條件，包括防雷設(shè)計、產(chǎn)品及施工工藝規(guī)范。外部防護、內(nèi)部防護、接地與完善合理的布線技術(shù)，安裝協(xié)調(diào)配合的SPD，才能構(gòu)成一個有機聯(lián)系的整體，全面落實上述5項措施，才能達到--定的防護效果，這就是雷電綜合防護框架。
3接地系統(tǒng)
綜合接地系統(tǒng)，是將鐵路沿線的牽引供電、電力供電、信號、通信、信息等系統(tǒng)內(nèi)需要接地的設(shè)備，與建筑物、道床、站臺、橋梁、隧道、聲屏障等接地設(shè)施的接地裝置，通過共用的貫通地線連成一體的接地系統(tǒng)。鐵路沿線各接地裝置成為綜合接地系統(tǒng)的子接地系統(tǒng)。通信信號設(shè)備機械室建筑物的地網(wǎng)，通過貫通地線連接成為綜合接地系統(tǒng)一部分。沿線長途通信電纜、電纜槽支架、漏泄電纜懸吊鋼索等的接地裝置.通過貫通地線連接，成為綜合接地系統(tǒng)的一部分;無線通信基站及區(qū)間中繼設(shè)備的桿塔等接地裝置，在滿足交流接地電阻不大于1Q要求后，通過貫通地線連接，成為綜合接地系統(tǒng)的一部分。
對于牽引供電系統(tǒng)與貫通地線的連接主要采取以下措施:PW線或NF線通過扼流變壓器與軌道連接，并與貫通地線連接;牽引變電所的架空回流線或回流絕緣電纜(線)，經(jīng)扼流變壓器中性點與鋼軌相連接;牽引供電接觸網(wǎng)桿塔的防雷接地裝置，通過貫通地線接人綜合接地系統(tǒng)。
貫通地線采用一定銅當量的裸銅線埋地敷設(shè),除了充當牽引供電系統(tǒng)回流線外，還是各接地子系統(tǒng)的連接線，也是沿鐵路敷設(shè)的共用地線。它將沿線構(gòu)筑物設(shè)施內(nèi)的接地裝置、各種電氣電子設(shè)備和金屬構(gòu)件等連成一體, 形成一個宏觀的等地電位體，這在高速鐵路中極其重要。
4浪涌保護器
自1973年由“鐵道部信號防雷小組”組建鐵道部信號防雷中心實驗室以后，相繼完成我國第一支大功率金屬陶瓷三極放電管和大功率氧化鋅壓敏電阻器等關(guān)鍵防雷器件的研發(fā)，并以此為依托，開展了針對鐵路通信信號領(lǐng)域?qū)Ｓ美擞勘Ｗo器的研究與成果轉(zhuǎn)換工作。設(shè)計開發(fā)了多款適用于電源、鐵路信號、鐵路通信設(shè)備雷電防護的專用浪涌保護器，廣泛應用于鐵路編組站計算機信息處理系統(tǒng)、調(diào)度集中系統(tǒng)、調(diào)度監(jiān)督系統(tǒng)、駝峰編組站半自動1自動化系統(tǒng)、通信微機確報系統(tǒng)、車輛紅外軸溫監(jiān)測系統(tǒng)等眾多場景。時至今日，已有五大類30余種防雷產(chǎn)品通過CRCC產(chǎn)品認證，并取得多項國家專利，提供的防護范圍涵蓋了鐵路電務系統(tǒng)內(nèi)各類設(shè)備。5技術(shù)展望
隨著高速鐵路通信信號系統(tǒng)設(shè)備不斷向著微電子化、集成化和智能化的發(fā)展，鐵路通信信號系統(tǒng)的雷電防護技術(shù)也在不斷創(chuàng)新。5.1新型 SPD的研究
國際主流的防雷研究趨勢依舊是針對基本防雷器件的性能展開的，小型化防雷器件、低電壓保護水平Up防雷器件和能夠承受瞬時多脈沖的防雷器件都是研究的重點。未來我們將繼續(xù)跟進了解基本防雷器件的研究動態(tài)，選擇理論研究扎實并被實踐證明防護效果好的器件，開發(fā)適用于鐵路行業(yè)的新型SPD,提升防護效果。5.2通信類SPD的監(jiān)測研究，
由于鐵路通信信號機械室內(nèi)防雷設(shè)備眾多，防雷設(shè)備的維修檢查工作量大，且通信類SPD多為串聯(lián)型，難以進行智能防雷監(jiān)測，除了克服現(xiàn)場復雜電磁環(huán)境的干擾，還需解決SPD電參數(shù)的實時無源采集,因此，如何準確地采集傳輸SPD實時工作狀態(tài)是未來研究的難點。下一步，我們將開展針對此類SPD狀態(tài)的實時監(jiān)測研究，從而簡化現(xiàn)場運維工作。5.3板載防雷裝置的研究
研究通信信號設(shè)備端口板載防雷裝置，增加通信信號設(shè)備的耐雷能力(Uw)。隨著集成電路的高度集成化，相應的耐能量能力越來越低，因此有必要開展在電子設(shè)備外線端口加裝板載防雷裝置可行性研究。以此研究為基礎(chǔ)，提出相關(guān)技術(shù)參數(shù)，并開展技術(shù)標準的制訂工作。以提升設(shè)備端口的耐雷水平為突破口，整體改善通信信號專業(yè)室內(nèi)設(shè)備的防雷效果。鐵路通信信號雷電防護從起步發(fā)展到今天，走過了艱難而曲折的道路，經(jīng)過廣大防雷工作者的不懈努力在鐵路行業(yè)防雷技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著的成績。隨著我國高速鐵路建設(shè)發(fā)展，防雷工作必須緊跟時代步伐，集中精力潛心基礎(chǔ)理論研究。從高效防護、安全運營的角度出發(fā)，既要進一步提升防雷效果，亦需探索減少運維成本的新思路,任重而道遠。
