铁路信号设备防雷分析

题 目：铁路信号设备防雷分析与研究院 系： 网络教育学院 专 业： 自动化(铁路信号) 姓 名： 韦勇 指导教师： 目 录摘 要3Abstract3引 言 4第一章铁路信号设备防雷的重要性 4第二章铁路信号设备防雷的分析5 第三章铁路信号设备综合防雷整治措施7结束语15致 谢15参考文献15摘 要随着现代化科技飞速发展，铁路信号设备电子化程度大幅提高，先进的设备在雷雨季节能否安全稳定的运用，是摆在我们面前的一个新课题。雷击放电诱发电磁脉冲过电压和过电流会经电源系统、信号传输通道等途径损坏信号设备，直接威胁铁路正常的安全生产。所以，加强信号设备防雷工作尤为重要。关键词：铁路信号 雷雨季节 防雷 安全 危害引 言针对汛期雷雨季节雷害极易发生、直接影响铁路运输安全的严峻现实，铁路部门积极建立防雷责任制，切实提高防雷工作标准，同时开展信号设备防雷专项整治，做好应急处置工作，尽最大努力确保铁路运输生产安全。第一章 铁路信号设备防雷的重要性针对汛期雷雨季节雷害极易发生、直接影响铁路运输安全的严峻现实，铁路部门积极建立防雷责任制，切实提高防雷工作标准，同时开展信号设备防雷专项整治，做好应急处置工作，尽最大努力确保铁路运输生产安全。据悉，进入汛期，由雷击造成设备故障影响铁路运输安全的现象较多。仅6月份，全路因雷击造成信号设备故障147件，故障延时117个小时。提高信号设备防雷标准，是减少雷害发生的根本。铁道部在原有铁路防雷标准基础上，发布了铁路信号设备电磁兼容及雷电电磁脉冲防护实施意见。意见吸取了我国铁路信号防雷工作多年来的经验，并借鉴了国外铁路信号设备防雷方法，包含地网设置、屏蔽设置等综合防护技术措施，大大提高了信号设备防雷标准，进一步增强了设备防雷的可操作性。同时，意见还规定了防雷设计与施工资质管理、施工验收、质量责任、雷害处理、产品采购、检查测试等维护与管理方面的内容，基本形成了信号设备雷电综合防护框架。目前，铁道部已经发布了信号设计规范，正在抓紧制定铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术规范，努力提高信号设备防雷的设计和建设水平，进一步减少雷害发生。雷害发生的重点地区是微电子设备和微电子设备集中的区段。为防止汛期雷害损坏信号设备，铁道部将防雷工作列入今年专项整治内容，拨出专款用于六大第二章 铁路信号设备防雷的分析1、雷害（1）、直接雷：直接侵入设备或与设备相关联的传输线上的雷电。但袭击信号设备的概率很小。（2）、感应雷：由于电磁感应作用，在电气设备上感应出的雷电压，在设备中流过感应电流。其又分为纵向和横向感应雷两种。 感应雷发生机率高，袭击信号的次数相当频繁。2、雷电侵入信号设备的主要途径（1）由交流电源侵入 雷电冲击波侵入高压电线路传至高压变压器，若未装设避雷器或其失效，容易侵入低压设备。（2）、轨道电路 轨道电路用钢轨作为传输线，它一般高出地面，容易遭雷击。（3）、由电缆侵入 铁路信号的室内、室外设备通过电缆连接起来，雷电从电缆侵入，并传输至室内设备。3、纵向电压和横向电压纵向电压指导线或设备对地电压，每条导线上的折射电压或反射电压。 横向电压指两导线间的电位差。 这两种电压对人身安全和信号设备的正常运行都会带来极大的危害。纵向过电压将使设备绝缘闪络、击穿，甚至起火。横向过电压回击穿、烧毁信号设备尤其是电子器件。4、信号设备的防雷（1）信号设备的防雷要求 在有雷电活动的地区，交流电源外线、电子设备、轨道检查装置、遥信遥控设备等与外线连接的信号设备必须装设防雷装置。 不同雷电活动地区，应采取相应的防雷措施。（2）信号设备雷电防护的原则 防雷装置和被防护设备之间绝缘应匹配，将雷电感应电压限制到被保护的冲击耐压水平以下。正常情况下，防雷装置不应影响被防护设备的工作，受雷电干扰时，应保证信号设备不得错误动作。 采用多级防护时，各级防护元件应配置合理。（3）信号设备防雷元件的安装和设备的要求 外部防护用防雷元件宜安装在线路终端。安装应牢固可靠，便于检测，集中安装。现代防雷保护包括外部防雷保护(建筑物或设施的直击雷防护)和内部防雷保护(雷电电磁脉冲的防护)两部份，外部防雷系统主要是为了保护建筑物免受直接雷击引起火灾事故及人身安全事故，而内部防雷系统则是防止雷电波侵入、雷击感应过电压以及系统操作过电压侵入设备造成的毁坏，这是外部防雷系统无法保证的。防雷是一个很复杂的问题，不可能依靠一、二种先进的防雷设备和防雷措施就能完全消除雷击过电压和感应过电压的影响，必须针对雷害入侵途径，对各类可能产生雷击的因素进行排除，采用综合防治接闪、均压、屏蔽、接地、分流（保护），才能将雷害减少到最低限度。1、接 闪接闪装置就是我们常说的避雷针、避雷带、避雷线或避雷网，接闪就是让在一定程度范围内出现的闪电放电不能任意地选择放电通道，而只能按照人们事先设计的防雷系统的规定通道，将雷电能量泄放到大地中去。、均 压接闪装置在接闪雷电时，引下线立即产生高电位，会对防雷系统周围的尚处于地电位的导体产生旁侧闪络，并使其电位升高，进而对人员和设备构成危害。为了减少这种闪络危险，最简单的办法是采用均压环，将处于地电位的导体等电位连接起来，一直到接地装置。室内的金属设施、电气装置和电子设备，如果其与防雷系统的导体，特别是接闪装置的距离达不到规定的安全要求时，则应该用较粗的导线把它们与防雷系统进行等电位连接。这样在闪电电流通过时，室内的所有设施立即形成一个“等电位岛”，保证导电部件之间不产生有害的电位差，不发生旁侧闪络放电。完善的等电位连接还可以防止闪电电流入地造成的地电位升高所产生的反击。为了彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差，就特别需要实行等电位连接，电源线、信号线、金属管道等都要通过过压保护器进行等电位连接，各个内层保护区的界面处同样要依此进行局部等电位连接，并最后与等电位连接母排相连。3、屏 蔽屏蔽就是利用金属网、箔、壳或管子等导体把需要保护的对象包围起来，使雷电电磁脉冲波入侵的通道全部截断。所有的屏蔽套、壳等均需要接地。屏蔽是防止雷电电磁脉冲辐射对电子设备影响的最有效方法。4、接 地接地就是让已经内入防雷系统的闪电电流顺利地流入大地，而不能让雷电能量集中在防雷系统的某处对被保护物体产生破坏作用，良好的接地才能有效地泄放雷电能量，降低引下线上的电压，避免发生反击。过去有些规范要求电子设备单独接地，目的是防止电网中杂散电流或暂态电流干扰设备的正常工作。90年代以前，部队的通信导航装备以电子管器件为主，采用模拟通信方式，模拟通信对干扰特别敏感，为了抗干扰，所以都采取电源与通信接地分开的办法。现在，防雷工程领域不提倡单独接地。在IEC标准和ITU相关标准中都不提倡单独接地，美国标准IEEEStd1100-1992更尖锐地指出：不建议采用任何一种所谓分开的、独立的、计算机的、电子的或其它这类不正确的大地接地体作为设备接地导体的一个连接点。防雷接地是防雷系统中最基础的环节，也是防雷安装验收规范中最基本的安全要求。接地不好，所有防雷措施的防雷效果都不能发挥出来。5、分流（保护）这是现代防雷技术迅猛发展的重点，是保护各种电子设备或电气系统的关键措施。所谓分流就是在一切从室外来的导体（包括电力电源线、数据线、电话线或天馈线等信号线）与防雷接地装置或接地线之间并联一种适当的避雷器SPD，当直击雷或雷击效应在线路上产生的过电压波沿这些导线进入室内或设备时，避雷器的电阻突然降到低值，近于短路状态，雷电电流就由此处分流入地了。雷电流在分流之后，仍会有少部份沿导线进入设备，这对于一些不耐高压的微电子设备来说是很危险的，所以对于这类设备在导线进入机壳前，应进行多级分流（即不少于三级防雷保护）。现在避雷器的研究与发展，也超出了分流的范围。有些避雷器可直接串联在信号线或天线的馈线上，它们能让有用信号顺畅通过，而对雷电过压波进行阻隔。采用分流这一防雷措施时，应特别注意避雷器性能参数的选择，因为附加设施的安装或多或少地会影响系统的性能。比如信号避雷器的接入应不影响系统的传输速率；天馈避雷器在通带内的损耗要尽量小；若使用在定向设备上，不能导致定位误差。、躲 避在建筑物基建选址时，就应该躲开多雷区或易遭雷击的地点，以免日后增大防雷工程的开支和费用。当雷电发生时，关闭设备，拔掉电源插头。第三章 铁路信号设备综合防雷整治措施一、铁路信号设备雷电防护分析 铁路信号设备遭受雷击过电压和过电流的类型主要可分为三种，即：直击雷、感应雷和传导雷。结合信号设备的分布特点及雷电攻击的途径分析，铁路信号设备雷电防护存在以下特点。（1）信号设备占地面积较大，且很多设备分布在山区、旷野等易遭受雷电攻击的地区。（2）铁路的钢轨是雷电流的良好导体，与钢轨连接的相关铁路信号设备，如信号机、轨道电路、电动转辙机等较容易受到雷电流的威胁。（3）自动闭塞、半自动闭塞等信号条件线、控制线，在非电化区段大部分使用架空线，它们均架设于信号与通信混合线路或自动闭塞高压信号线路上，由于它们暴露在旷野郊外，在雷雨季节容易遭受到雷电的袭击，线路中的大电流会串入信号机房内部，从而引起对内部设备的损坏。（4）雷电防护的原则是“等电位”，由于机房存在多类接地系统，其冲击接地电阻不均衡，在雷击发生时，雷电流引起地电位差，也容易造成“地电位反击”，使人员或设备遭受损害。从以上分析中可以看出：为了提高铁路信号设备安全性及机房设备、计算机的运行可靠度，整个车站信号设备的雷电防护一定要有良好的避雷设施、下引线和统一的接地网，采取完善的直击雷、感应雷防护措施。同时必须在供电系统、信号采集传输系统、计算机网络系统、机房接地系统等进行可靠有效的防护，在拦截、分流、均衡、接地、布线、布局等方面做完整的，多层次的综合防护。二、铁路信号综合防雷整治的原则铁路信号设备本身的电磁兼容性应符合铁道信号电气设备电磁兼容性试验及其限值（TB/T3073-2003）规定要求。铁路信号防雷综合整治总的原则是：经等电位连接，使过电压(或电流)以最直接的路径尽快泄漏到大地，达到保护设备的目的。电磁兼容防护总的原则是：利用室内的金属物有机地构成一个“法拉第笼”，进行接地连接。站场综合防雷设计本着安全可靠、技术先进、经济合理的原则，达到防御或减轻雷电灾害、提高防雷安全度的目的。三、铁路信号综合防雷整治方案 （1）既有机房建筑物直击雷防护和屏蔽信号机械室的建筑物采用法拉第笼进行电磁屏蔽，法拉第笼由屋顶避雷网、避雷带、引下线和接地系统构成。计算机联锁机房采用室内发拉第笼屏蔽。（2）室外信号设备直击雷防护和屏蔽包含信号设备的箱、盒、柜等壳体应具有良好的电气贯通和电磁屏蔽性能，壳体内设专用接地端子（板）。室外信号设备的金属箱、盒壳体必须接地，屏蔽电缆的金属屏蔽层应接地。（3）接地系统一般要求信号设备应设安全地线、屏蔽地线和防雷地线，上述地线均由共用接地系统的地网引出；室内信号设备的接地装置应构成网状（地网）；接地导线上严禁设置开关、熔断器或断路器。地网地网由各接地体、建筑物四周的环形接地装置相互连接构成。环形接地装置由水平接地体和垂直接地体组成，应环绕建筑物外墙闭合成环，受条件限制时可敷设成“U形”或“L形”，机械室不是独立建筑、两侧有其他建筑时，在信号楼前后设“一字形”接地装置，但应尽可能沿建筑物周围设置，以便与地网连接的各种引线就近连接。垂直接地体可采用石墨电极、铜包钢、铜材、热镀锌钢材（钢管、圆钢、角钢、扁钢）或其它新型接地材料，电力牵引区段宜采用石墨接地体。贯通地线贯通地线在信号机房建筑物一侧每隔2-3m用50mm2裸铜线与环形接地装置连接，两端各连接两次，设置贯通地线的区段，站内的各种室外信号设备的各种地线均应就近与贯通地线连接。（4）接地汇集线及等电位连接控制台室、继电器室、防雷分线室（或分线盘）、机房和电源室（电源引入处）应设置接地汇集线。接地汇集线宜采用大于30 mm3mm紫铜排，可相互连接成条形、环形或网格形，环形设置时不得构成闭合回路。电源室（电源引入处）防雷箱处、防雷分线室（或分线盘）处的接地汇集线应单独设置，并分别与环形接地装置单点冗余连接。室内走线架、组合架、电源屏、控制台、机架、机柜等所有室内设备必须与墙体绝缘，其安全地线、防雷地线、工作地线等必须以最短距离分别就近与接地汇集线连接。同一排不同的金属机架、柜之间用铜导线栓接后再就近与接地汇集线连接。走线架不得布置成环型，已构成闭合回路的可加装绝缘。在不构成闭合回路的前提下，必须保持走线架在电气上的连续性，接地汇集线栓接，连接螺栓采用8mm铜质，并不得少于3枚，组合架侧螺栓不少于2枚。机房面积较大时，可以设置与地网单点冗余连接的总接地汇集线。控制台室、继电器室、计算机房的接地汇集线可分别与总接地汇接线单点连接,也可相互连接后与总接地汇接线单点连接。机房分布在几个楼层时，各楼层可设置总接地汇集线，总接地汇集线间应采用5095 mm2的有绝缘外护套的多股铜导线加线鼻栓接。建筑物内所有不带电的自来水管、暖气管道等金属物体都必须与环形接地装置（或与建筑物钢筋、机房屏蔽层）做等电位连接。（5）设置信号设备专用防雷保安器信号电源系统防护在电务综合开关箱的输入端设置I级电源防雷箱；在电源屏电源输入端设II级防雷箱（将既有防雷箱改造）。既有模块电源屏已有防雷，不再增加。信号机信号机包括进站信号机、预告信号机、出站信号机、通过信号机、进路信号机外线需采取防雷措施，信号机的所有去线、回线，在分线盘的相应端子上，每线加装防雷保安器，作为纵向防护。灯丝报警、站间或场间联系电路、半自动闭塞电路、方向电源电路灯丝报警外线、站间或场间联系电路外线、半自动闭塞电路外线、自动闭塞区段的方向电路外线，在分线盘处对应的端子上，每线加装防雷保安器，作为纵向防护。防雷保安器型号按照电源参数不同选用。480轨道电路轨道电源：轨道送电电源在分线盘处相应的端子上，每束（对线）加装防雷保安器，进行横纵向（横向/纵向）防护。轨道电路室内受电端：轨道电路室内受电端，在分线盘处对应的端子上，每个受电端（对线）分别安装防雷保安器，进行横纵向（横向/纵向）防护。二线制电码化电路区段，该防雷保安器也对电码化设备进行防护，防雷保安器选型要考虑由于移频信号叠加，使信号电压升高的因素。四线制电码化电路区段，轨道电路受电端防雷保安器型号不变。电码化发送通道在分线盘处对应端子上，每个发送通道（对线）分别安装防雷保安器，对电码化设备进行横纵向（横向/纵向）防护。轨道电路室内送电端：无电码化电路区段，不设轨道电路室内送电端防雷。二线制电码化电路区段，轨道电路室内送电端，在分线盘处对应端子上，每个送电端（对线）分别安装防雷保安器，对电码化设备进行横纵向（横向/纵向）防护。四线制电码化区段，不设轨道电路室内送电端防雷。电码化发送通道在分线盘处对应端子上，每个发送通道（对线）分别安装防雷保安器，对电码化设备进行横纵向（横向/纵向）防护。轨道电路室外送、受电端：分别在室外送、受电端变压器轨道侧安装防雷保安器，对轨道电路设备进行横向防护。计算机联锁视频信号线防护计算机联锁系统的上位机位于微机房，而远端控制台显示器位于行车室，它们的图像输入信号端口由于线路很长，雷击时很容易造成雷电感应，一旦显示器遭到雷击损坏，将给铁路的安全运行造成很大的威胁，可在A、B上位机显示卡输出口前，分别串接一只视频口信号防雷保安器，相应地在远端显示器视频口前也串接一只同规格的视频口信号防雷保安器。四、综合防雷整治施工中应注意的问题（1）隐蔽工程质量施工部门和施工监管单位必须注意隐蔽工程的施工质量，因为一旦地网的某一点断开，就会造成等电位失效，所以，地网中的连接处应当采用焊接，并进行防腐处理。东北地区应当安装地线测试极，以保证冬季也能对地网的接地电阻进行正常的测试分析。（2）各级防雷器的参数要匹配防雷器的通流量在分区分级的配置中要实现匹配，若出现不匹配现象，就容易出现在雷电流侵入时，后一级断路器先于前一级断路器脱扣掉下，造成系统停电的严重问题。所以，要按以下原则进行配置：室外0区大于机械实1区，机械实1区大与机房2区，以电源防雷为例，信号楼引入之前为40KA以上，电源屏室前为20KA以上，微机房电源柜前为10KA以上。为了参数的一致，防雷箱内防护断路器与电源的断路器最好选用同一个厂家的产品。（3）组合架的连接机械室同一排组合架之间的等电位连接一般采用大于10mm 的多股铜导线串联栓接，这种连接方式存在一定的缺点：如果某一个组合架的连接点接触不良就会导致所有组合架失去等电位连接。如果采用与同一排组合架等长的30mm3mm紫铜排与每个组合架并联连接，就能解决此问题。（4）关于既有机房防雷贴面柜施工既有机房防雷贴面柜施工中，一定要注意配线中的施工安全，引线要安装在分线盘前面的端子上，原有的螺丝背帽不动，应另外再加上一个螺丝帽，这样做可以避免因拆卸端子带来的不安全因素。为保证引线正确，应先写塑料管，后放线，塑料管的写法是：分线盘端子号-贴面柜防雷元件位置编号XX。（5）信号设备雷电防护的原则防雷装置和被防护设备的绝缘应匹配，将雷电感应过电压限制到被保护设备的冲击耐压水平以下。绝缘匹配是指在冲击电压作用下，防雷设备的放电特性和被保护设备耐压水平之间的匹配，要求防雷设备伏、秒 特性曲线始终在被保护设备的伏、秒 特性曲线之下，并留有一定裕度，如图所示。这样，可以使设备得到可靠的防雷保护。被保护设备为电气设备时，保护设备的保护电压应低于被保护设备的绝缘耐压；如果被保护设备为电子设备时，防护设备的保护电压应低于电子设备的工作电压和击穿电压。 伏、秒 特性曲线正常情况下，防雷装置不应影响被防护设备的工作，受雷电干扰时，应保证信号设备不得错误动作。信号设备的防雷不同于其他设备的防雷，不仅要考虑不致因雷击而损坏设备或使设备错误动作，而且要尽量做到设备不间断使用，以确保正常行车。因此，在选用防雷元件时，要特别注意不用易造成短路的防雷元件。当被保护设备接入防雷设备后，对被保护设备的输出功率、接受灵敏度或频率特性不应产生不良的影响。采用多级防护时，各级防护元件应配置合理。要保证各级防雷设备顺序工作，以有效抑制雷电压。一般情况下，各级防雷元件不宜直接并联，避免动作电压低、时间快的防雷元件先动作，使其他元件不起作用。所以各级间应有延迟措施，使防雷元件逐级启动。通常前级或前几级防雷元件采用通流容量大、启动快的元件，使大部分雷电能由防雷元件泄入大地。 （6）信号设备防雷元件的安装和设备要求部防护用防雷元件宜安装在线路终端。防雷元件与被防护设备之间的连接线应短，防雷电路的配线与其他配线应分开走线，不允许其他设备借用防雷设备的端子。防雷装置如距被防护设备过远，由于在连接线上产生震荡波，导致被防护设备两端的电压比防雷装置两端的电压更高，这种现象称为间距效应。入侵的雷电在电缆两端产生反射使之积累，当电缆较短时，有可能在电缆上产生极高的过电压。所以从减小间距效应和抑制电缆内过电压来看，外部防雷用的元件宜安装在线路终端。为了减小连接线的电感，取得更好的防雷效果，防雷装置与被保护设备间连接线应短。由于导线间有电容，因此雷电流有可能影响相邻导线，引起设备误动。另外雷电流较大而导线截面积较小时，可能将导线外的绝缘击穿甚至燃烧，因此防雷电路的配线应与其他配线分开走线。为了发挥防雷装置的作用，它应安装牢固可靠，还要考虑便于检测。防雷装置应集中设置，可防止因防雷装置鼓掌而影响其他信号设备的正常工作，同时便于维修、测试和检查。五.机房电磁环境防护机房建筑物直击雷防护和屏蔽，为抗御直击雷和降低雷电电磁干扰，信号机房的建筑物应采用法拉第笼进行电磁屏蔽。信号机房建筑物屋顶不允许设置避雷针。（1）法拉第笼法拉第笼由屋顶避雷网、避雷带和引下线、机房屏蔽和接地系统构成。避雷网避雷网由不大于3m3m的方形网格构成，每隔3m与避雷带焊接连通。网格40mm4mm的热镀锌扁钢交叉焊接构成。热镀锌钢材的镀层厚度为2060um。避雷带避雷带应采用不小于8mm热镀锌圆钢沿屋顶周边设置一周，距墙体高度0.15mm，并用热镀锌圆钢均匀设置避雷带支撑柱，支撑柱间距不大于1m。引下线引下线是避雷带与接地装置的连接线，沿机房建筑物外墙均匀垂直敷设46根，安装应平直，与其他电气线路距离大于1m。引下线的固定卡钉布置应均匀牢固，间距宜小于2m。引下线宜采用40mm4mm热镀锌扁钢或不小于8mm热镀锌圆钢，上端与避雷带焊接连通，焊接处不得出现急弯（弯角不小于R900），下端与地网焊接。引下线与分线盘（柜）间距应不小于5m。为节省投资和合理利用资源，法拉第笼也可利用建筑物的钢筋混凝土结构或框架结构建筑物，实现引下线和大空间屏蔽网的作用。引下线利用建筑物内主钢筋时主钢筋应与接地装置（地网）、避雷带焊接。（2）安装电子设备的机房的法拉第笼屏蔽安装电子设备的机房宜采用更完善的室内法拉第笼屏蔽，应符合以下标准：屏蔽层应选用铁板或铝板等电磁屏蔽材料，板材厚度应不小于0.6mm；门窗屏蔽应采用截面积不小于3mm2、网孔小于80mm80mm的铝合金网，并用不小于16 mm2的软铜线与地网或屏蔽层可靠连接；金属板间每隔500mm必须焊接或用不小于2 mm2的软铜线可靠连接；屏蔽层必须在引下线与地网连接处用不小于25 mm2的软铜线可靠连接；机房已经预留钢筋接地端子板的，屏蔽层还应与钢筋接地端子板拴接；机房地面宜采用防静电地板，其金属支架间应互相可靠连接，或在金属支架底部采用0.120mm铜箔带构成与支架一致的网格，铜箔带交叉处用锡焊