鐵路信號樓綜合防雷系統方案設計

       隨著鐵路跨越式發展戰略的全面實施，大批微電子化、智能化、網絡化信號設備上道，對信號系統的防雷提出了更高要求。因此，有必要對鐵路信號防雷進行系統設計，利用現代雷電防護理論，采用屏蔽、共用接地、等電位連接、合理布線和設置防雷保安器等綜合防護技術，對信號設備進行分區、分級、分設備的系統防雷保護，減少雷電電磁脈沖影響，延長設備使用壽命，提高設備可靠性。

1 鐵路信號設備防雷現狀 

       研究表明：雷電電磁脈沖干擾是造成信號設備損壞和壽命減少的主要因素。2004 年1 ～ 9 月，鄭州鐵路局管內發生因雷害造成的信號故障21 件，延時33h55min，平均延時1h37min，分別占信號故障總件數和總延時的13. 5% 和18. 6%，對信號設備的正常使用和運輸秩序造成了嚴重影響。

1. 1 電磁環境惡劣 

       我國鐵路大部分編組站和車站都處于遠離城市中心的雷電暴露環境下，信號樓附近往往伴有無線列調天線塔、大型燈光橋、大型吊機等易引雷的高大建筑物，而且在進行設備技術改造時，建筑物防雷改造大多未同步進行。信號系統設備都大量、長距離地連接室外信息采集對象和控制對象，其中軌道電路又是長距離、大面積暴露地面，且又是電力機車牽引電流（27. 5kV/ 600A）的通道，牽引電網的瞬態過壓防護，通過SPD（ 防雷保安器） 接至鋼軌一側泄入大地，造成對軌道電路不平衡，極易遭受雷擊和瞬態過電壓侵害。電磁環境除雷電電磁脈沖外，還有來自電化區段牽引線路高電壓、大電流影響，電力機車升降弓時的電弧輻射磁場影響，通信信號的無線列調頻率、移頻頻率輻射干擾，設備電氣開關電路動作引起的浪涌過電壓、過電流電磁脈沖干擾等。此外電源線、信號傳輸線交混布線時的交叉干擾，凈化線和未凈化線混在一起相互交叉等，也給防護增加了困難。

1. 2 雷電防護單一 

       過去信號設備一般采用在設備處設一級SPD防雷，防雷器材質量不高，對電磁環境、綜合布線設計要求不嚴，在執行“GB50343-2004 建筑物電子信息系統防雷技術規范”、“GB / T50311-2000 建筑與建筑群綜合布線系統工程設計規范”、“ TB /T3074-2003 鐵道信號設備雷電電磁脈沖防護技術條件”等方面還存在差距。

1. 3 接地系統繁多 

       由于鐵路信號技術規范均要求各種接地分設，且相隔20m 以上，但受沿線地形限制，往往難以滿足要求。一個車站信號樓內常常有許多不同的接地線，致使雷電反擊現象嚴重。

2 信號樓綜合防雷系統方案設計

2. 1 鐵路信號設備危險評估和雷電防護等級 

       根據鐵路信號設備雷電電磁環境特點，按照GB50343-2004、TB / T3074-2003 規定， 參照英國BS6651 對設備雷電防護危險評估辦法，鐵路信號樓電子信息系統雷電防護等級應為B 級（ 二類），需要進行直擊雷、感應雷的防護。

2. 2 信號樓綜合防雷系統 

       所謂綜合防雷系統是面向EMC（ 電磁兼容），包括外部防雷（防直擊雷）、內部防雷（防雷電電磁脈沖），采用屏蔽、共地、等電位連接、分區分級分設備的SPD 保護及合理布線等的綜合技術。

2. 3 構筑完整的三重屏蔽體系 

       在信號樓內，由于信息系統中各電子設備的重要性不同，所處的電磁環境不同，對其采取的屏蔽措施就有差別。目前采取的基本屏蔽措施有信號樓的自然屏蔽、信息系統的電源線和信號傳輸線電纜屏蔽，以及電子設備機柜、機箱金屬殼體屏蔽等。 

       1. 建筑物籠式避雷網的自然屏蔽。它主要利用建筑物鋼筋混凝土結構中的鋼筋構成籠式避雷網，將整座建筑物罩住，可以全方位地保護被罩住的建筑頂部、側面。對置于其中的電子系統，它相當于一個“ 屏蔽間”，具有對電磁干擾的屏蔽作用。另外對雷擊產生的瞬態電位升高起到均衡作用，使籠網各部位的瞬態對地懸浮電位均衡到大致相等的水平。 

       2. 信號樓人工籠式避雷網屏蔽。由人工避雷網（ 帶）、引下線、環形接地裝置構成信號樓人工避雷網的屏蔽防雷系統，也將大大減少其內部電子設備受到瞬態雷電電磁脈沖干擾的危險。 

       3. 電源線和信號傳輸線的屏蔽。進入信號樓內的2 路AC380V/ 220V 電源線和信號傳輸線、通信及網絡線都應采用有金屬屏蔽層的電纜。當電源線采用架空線引入時，應首先在進入信號樓處穿鋼管屏蔽引入。再者，電纜屏蔽層阻擋電磁脈沖的能力，除了與屏蔽層的材料和網眼大小等有關外，還與屏蔽層的接地方式密切相關。如果屏蔽層僅一端接地，另一端懸浮，它只能防靜電感應，防止不了磁場強度變化所感應的電壓。因此，出于對防雷可靠性的考慮，當低頻電磁干擾不嚴重時（ 如6502 電氣集中信號傳輸線），在需要保護的空間內，屏蔽電纜應至少在其兩端，尤其應在室內防雷區界面處的分線防雷柜做接地。當低頻電磁干擾嚴重時（ 如ZPW2000 和UM71 移頻） 一般采用雙層屏蔽防雷電纜，并在兩端做好接地。 

       4. 電子設備屏蔽。經計算分析和試驗表明：一般鋼筋混凝土建筑物自然屏蔽體對雷電電磁脈沖的衰減作用是十分有限的。因此，凡是對電磁脈沖干擾敏感的微電子設備，特別是一些計算機信息處理設備都應采用金屬層。信號樓內智能電源屏、計算機聯鎖、ZPW-2000 和微機監測等微電子設備，除自身金屬箱屏蔽外，還應將其置于屏蔽柜內，并在屏蔽柜（屏）內按S 型星型結構或M 型網型結構，接至共用接地系統的等電位排。這樣，通過自然（ 人工）屏蔽網、屏蔽柜、屏蔽箱（盒）的三重屏蔽，以及電源線、信號傳輸線的屏蔽措施等，構成一個完整的電磁屏蔽體系，實現了逐級全方位對電磁干擾的衰減。 

       2. 4 等電位接地等電位連接指信號樓內所有金屬物（ 混凝土內的鋼筋、自來水管、煤氣管及其他金屬管道、機器基礎金屬物及其埋地金屬物）、電纜金屬屏蔽層、電力系統的中性線和設備柜、箱金屬屏蔽體、電源線、信號傳輸線、網絡線的SPD 接地等，應一律用電氣連通的方法連接，使整個信號樓成為一個良好的等電位體，為各級防雷保安器提供雷電過壓泄流通道，建立各分區電磁屏蔽層。電源線、信號傳輸線、金屬管道通過浪涌保安器SPD 或直接用導線進行等電位連接。各內層防護區的界面依次進行局部等電位連接，各局部等電位接地排與總等電位排連接。 

       2. 5 分區、分級、分設備SPD 防護根據信號樓各部分空間雷電電磁脈沖（LPMP）的嚴重程度，將信號樓需防護的空間由表及里劃分為3 個不同的防雷區（ LPZ1、LPZ2、LPZ3），在防雷區交界面上設界面SPD 防護。信號機械室防雷區劃分示意圖見圖2。 

       第1 級SPD 設在進入信號界面處，在電力電纜引入口防雷箱SPD 處做粗級保護，在信號傳輸線電纜引入室內分線防雷柜處做細級保護，以便承受高電壓、大電流并能快速泄流；第2 級SPD 用來降低殘壓；第3 級為被保護對象內設備級的SPD。根據沿線車站雷暴日和信號設備特點，對多雷區車站計算機聯鎖、區間ZPW-2000 或UM71 等電子設備信號樓內2 路供電電源進行粗、中、細3 級雷電防護；對中雷區設1 級全模保護和設備終端細保護（電源防雷插座） 的2 級保護。根據信號傳輸線的重要性和使用電子器材特性的不同，確定鐵路信號傳輸線雷電防護等級：軌道電路為B級兩級防護（LPZ1和設備終端），道岔、信號機為C 級1 級防護（只做LPZ1電力電纜和通信電纜的屏蔽層或金屬外護套與一樓總等電位接地排連接，電力電纜和通信電纜金屬芯線通過防雷保安器與等電位接地排連接）。

2. 6 信號分線防雷柜與合理布線 

       設計分線防雷柜解決合理布線問題。柜內設總等電位接地排，進行電纜屏蔽及傳輸線入口界面SPD 防護。電纜進線（ 未凈化線） 與塑料線（ 凈化線） 分設，信號電源軟線、移頻屏蔽線與弱信號條件線、網絡線分設。