鐵路站場通信信號綜合防雷技術(shù)研究及應(yīng)用

1、GUERET預(yù)放鐵路站場通信信號綜合防雷技術(shù)研究及應(yīng)用摘自“通信世界網(wǎng)”文 / 樓向東作者：兗州礦業(yè)集團(tuán)鐵運(yùn)處樓向東隨著現(xiàn)代化的進(jìn)展， 鐵路站內(nèi)設(shè)備越來越先進(jìn)。 雷擊發(fā)生時， 雷擊放電誘發(fā)雷擊電磁脈沖過電壓和過電流， 經(jīng)站場電源系統(tǒng)、 通信信號傳輸通道、 接地系統(tǒng)及建筑物直擊雷防護(hù)系統(tǒng)， 通過傳導(dǎo)、感應(yīng)的方式損壞站內(nèi)通信信號設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，造成損失巨大，直接威脅鐵路正常的安全運(yùn)輸生產(chǎn)。一、對鐵路站場雷電防護(hù)的分析鐵路站場設(shè)備遭受過電壓和過電流攻擊的途徑可分為直擊雷、感應(yīng)雷、傳導(dǎo)雷、操作過電壓四種。 結(jié)合站場設(shè)備的分布特點(diǎn)及雷電攻擊的途徑類型，鐵路站場雷電防護(hù)存在以下特點(diǎn)。1鐵路站場占地面積

2、較大，站場主要設(shè)備（如數(shù)字微波通信、車站數(shù)字通信分系統(tǒng)、站場廣播機(jī)、無線列調(diào)通信、平面調(diào)車通信、信號微機(jī)聯(lián)鎖等設(shè)備）集中在信號樓、通信樓。信號樓、通信樓的避雷針應(yīng)能滿足對整個信號樓、通信樓區(qū)域的保護(hù)，有效防止直擊雷的襲擊。2鐵路道軌是接受直擊雷和傳導(dǎo)雷感應(yīng)雷的良好導(dǎo)體。與道軌連接的相關(guān)鐵路信號設(shè)備，如信號機(jī)、軌道電路箱、道岔電動轉(zhuǎn)轍機(jī)等，將受到雷擊的嚴(yán)重威脅。3信號樓微機(jī)聯(lián)鎖及通信機(jī)房、通訊樓通訊機(jī)房等重要區(qū)域的戶外線路可能遭受到直擊雷后， 線路中的大電流串入各機(jī)房內(nèi)部，從而引起對內(nèi)部設(shè)備的損壞。當(dāng)雷雨云之間、 雷雨云對大地之間放電時， 雷閃電流的高頻電磁場對暴露在空間或室內(nèi)的電源線、 信號線

3、、數(shù)據(jù)線上產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)備抗電強(qiáng)度的感應(yīng)雷擊過電壓，使設(shè)備損壞。4雷電防護(hù)的原則是“等電位”。由于機(jī)房存在多類接地系統(tǒng)，其沖擊接地電阻不均衡，在雷擊發(fā)生時，雷電流引起地電位差，造成“地電位反擊”，使人員和設(shè)備遭受損害。5操作過電壓引起的危害，如儲藏設(shè)備的開關(guān)、輸電線路的短路、周圍大容量設(shè)備運(yùn)行時產(chǎn)生的工業(yè)干擾或操作過電壓在電源線上會產(chǎn)生 50006000V、3KA的浪涌過電壓及浪涌電流，它們的竄入也會將信號樓、通信樓內(nèi)的設(shè)備產(chǎn)生很大的破壞后果。從以上分析中可以得出：為了提高鐵路站場建筑物安全及機(jī)房設(shè)備及計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行可靠度，整個站場的雷電防護(hù)系統(tǒng)一定要有良好的避雷針、下引線和統(tǒng)一的接地

4、網(wǎng)， 采取完善的直擊雷防護(hù)措施。 同時必須在車站的供電系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)、信號采集傳輸系統(tǒng)、程控交換系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、機(jī)房接地系統(tǒng)等進(jìn)行可靠有效的防護(hù)，在攔截、分流、均衡、接地、布線、布局等方面作完整的，多層次的綜合防護(hù)。基于以上分析，兗州礦業(yè)集團(tuán)鐵運(yùn)處選用了法國先進(jìn)的法蘭西電型避雷針作為直擊雷防護(hù)避雷針， 選用世界一流的德國 OBOBETTERMANN系列電源及數(shù)據(jù)信號防雷器件，對主要機(jī)房設(shè)備和重要終端進(jìn)行雷擊電磁脈沖防護(hù)。二、設(shè)計(jì)參照標(biāo)準(zhǔn)鐵路站場綜合防雷的設(shè)計(jì)主要執(zhí)行或參照以下標(biāo)準(zhǔn)： GB50057-94建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范 2000 年版、 GA267-2000計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖安

5、全防護(hù)規(guī)范、 GB745087電子設(shè)備雷擊保護(hù)導(dǎo)則、 GB50174-93電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范、 GB936188計(jì)算站場地安全要求等。鐵路站場雷電防護(hù)總的原則是經(jīng)等電位連接， 使過電壓 ( 或電流 ) 以最直接的路徑盡快泄漏到大地， 達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。 電磁兼容防護(hù)總的原則是利用室內(nèi)的金屬物有機(jī)地構(gòu)成一個“法拉第籠”，進(jìn)行接地連接。站場綜合防雷設(shè)計(jì)本著安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的原則，達(dá)到防御或減輕雷電災(zāi)害、提高防雷安全度的目的。三、直擊雷防護(hù)（一）避雷針普通避雷針，通常即為一根鐵棒， 將端部磨尖，通過接地引下線將地電位 ( 通常認(rèn)為零電位 ) 引至針尖，利用針尖的高度 ( 比被保護(hù)物

6、高出許多 ) ，比被保護(hù)物優(yōu)先產(chǎn)生上行先導(dǎo)， 與雷云的下行先導(dǎo)相遇， 從而達(dá)到引雷入地的效果， 保護(hù)其它建筑物免受雷擊的侵害。預(yù)放電型避雷針利用了雷云產(chǎn)生的空間電場強(qiáng)度，預(yù)先使周圍的空氣電離，空氣離子在空間電場的作用下加速接近雷云， 從而使迎面先導(dǎo)大大提前與雷云的下行先導(dǎo)相遇，使得引雷的可靠性和半徑提高大大保護(hù)，增強(qiáng)了保護(hù)性能。以高度為 10m的第類防雷建筑物保護(hù)范圍用“滾球法”計(jì)算為例。h（ m）為避雷針的有效高度，即避雷針頭高出被保護(hù)建筑物的距離。由上表可以看出，在同等高度下 IF3 預(yù)放電型避雷針比普通針的保護(hù)效率大大提高，即保護(hù)的可靠性大大提高。預(yù)放電型避雷針為先進(jìn)的純結(jié)構(gòu)型預(yù)放電避雷

7、針。 它利用雷云在空中感應(yīng)的電場強(qiáng)度，使針頭的感應(yīng)電極 ( 空中場強(qiáng) ) 與針尖（地電位） 之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花放電，使針頭周圍空氣電離， 在電場的作用下形成一條向上的雷電先導(dǎo)， 從而使迎面先導(dǎo)提前與雷云的下行先導(dǎo)相遇， 形成主放電通道， 從而大大提高了避雷針的效率，使保護(hù)半徑大大提高。由于其內(nèi)部無任何電子元件，避免了老化問題，所以更加可靠， 不需維護(hù)。此類避雷針比普通避雷針提前產(chǎn)生上行先導(dǎo)的時間稱為“預(yù)放電時間”， 這是考核預(yù)放電型避雷針性能的重要指標(biāo)， 已列入法國等一些歐洲國家的國家標(biāo)準(zhǔn)。 鐵運(yùn)處所屬車站選用先進(jìn)的法蘭西 GUERETIF3預(yù)放電型避雷針作為直擊雷防護(hù)避雷針， 對站場可能遭受

8、直擊雷的重點(diǎn)區(qū)域?qū)嵤┲苯永椎姆雷o(hù)。該類避雷針的特點(diǎn)如下。1最快的搶先預(yù)放電時間 86us，即優(yōu)先引雷入地，保護(hù)半徑大大增加，為目前國際上中搶先時間最快的預(yù)放電避雷針。2在相同的安裝高度下，比普通避雷針的保護(hù)半徑大十幾倍，大大提高了防護(hù)效率。3避雷針內(nèi)部無電子部件，更加安全，減少故障隱患，無老化，不需維護(hù)。4選用了世界最好的防腐316L 不銹鋼材料，永不生銹。5重量很輕，何載小，對支撐物的荷載要求低。（二）直擊雷防護(hù)方案鐵路站場直擊雷防護(hù)重點(diǎn)區(qū)域是通信樓、 信號樓和戶外岔群咽喉區(qū)設(shè)備。 鐵路站場直擊雷防護(hù)避雷針布置如圖 1 所示。圖 1 鐵路站場直擊雷防護(hù)避雷針布置圖1通信樓直擊雷防護(hù)。 利用通

9、信樓附近的高約 45 米微波塔，在塔頂上安裝 IF3 避雷針，避雷針安裝高度超出塔頂 2.5 米。經(jīng)計(jì)算，避雷針對地面的保護(hù)半徑可達(dá) 119 米。引下線采用截面大于 12mm×4mm的鍍鋅扁鋼。防雷接地裝置接地電阻小于 1 歐。該避雷針可保護(hù)通信樓、 部分鐵軌和場區(qū)部分咽喉區(qū)的部分信號機(jī)等鐵路設(shè)備，免受直擊雷的侵害。2信號樓直擊雷防護(hù)。利用被保護(hù)建筑物信號樓，高度約為 10 米，在信號樓頂部安裝 IF3 避雷針，針的安裝高度超出樓頂 5 米。經(jīng)計(jì)算，保護(hù)半徑可達(dá) 109 米。樓頂預(yù)埋 350mm×350mm×10mm厚鋼板，便于焊接避雷針底座，從底座延相反方向焊接

10、引出兩條引下線，引下線采用大于 8mm的圓鋼沿樓外墻引下入地，與樓的接地環(huán)相連。 防雷接地裝置接地電阻小于 1 歐。將避雷針與接地裝置貫通。保護(hù)信號樓及場區(qū)附近的鐵軌避免由于直擊雷擊中鐵軌雷電流竄入信號樓，對設(shè)備及人身安全造成危害。3戶外岔群咽喉區(qū)直擊雷防護(hù)。鐵路站場岔群咽喉區(qū)的特點(diǎn)是設(shè)備分布較為集中，岔群咽喉區(qū)段長度約145 米，在岔群咽喉區(qū)附近各建立12 米高的鐵塔，塔頂安裝 IF3 避雷針。經(jīng)計(jì)算，保護(hù)半徑可達(dá) 111 米。引下線采用截面大于12mm×4mm的鍍鋅扁鋼。防雷接地裝置接地電阻小于 10 歐。對咽喉區(qū)內(nèi)大部分的軌道電路箱、 道叉電動轉(zhuǎn)轍機(jī)及信號機(jī)等設(shè)施進(jìn)行了直擊雷的

11、保護(hù)， 免受直擊雷的侵害。四、雷擊電磁脈沖防護(hù)（一）防雷器選用世界一流的德國 OBOBETTERMANN系列電源防雷器件，對鐵路站場主要機(jī)房設(shè)備和重要終端進(jìn)行雷擊電磁脈沖防護(hù)。它具有以下特點(diǎn)。1應(yīng)用新型高能量密度的石墨電極材料，特性耐久不變。2采用多電極堆保證了可控制的能量分配，并聯(lián)電容控制對模塊達(dá)到低殘壓水平，通過這種設(shè)計(jì)，具有良好的續(xù)斷遮斷，達(dá)到對續(xù)流的完全熄滅。3密封設(shè)計(jì)，安裝方式?jīng)]有限制，無電弧外泄，無須使用大體積的隔離金屬箱。4無須斷電，所有模塊都可取下檢測和更換，可大量節(jié)約維護(hù)費(fèi)用。5安裝簡單，支持凱文接線，N/PE端的隧道式連接，免除調(diào)線的繁瑣。6容通電流大，反應(yīng)速度快，插入損耗

12、小。7采用 NPE模塊的防雷器可在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，即使地阻值高或地線不良的情況下，流經(jīng)防雷器的電流可使前級保險絲脫逃， 防雷器與電網(wǎng)隔離， 防止防雷器損壞。（二）雷擊電磁脈沖防護(hù)方案1對纜線布放和接地系統(tǒng)的要求鐵路站場主要設(shè)備集中在信號樓、 通信樓。雷擊電磁脈沖防護(hù)的重點(diǎn)是信號樓和通信樓內(nèi)的敏感電子設(shè)備。 在進(jìn)行電源和信號線防雷器配置時， 根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求，應(yīng)從以下幾個方面進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮。（1）電力電纜應(yīng)埋地引入建筑物， 電纜埋地部分不應(yīng)小于15 米(GA267-2000第 7、第 8 條) 。室外衛(wèi)星饋線和其它各種通信、信號電纜應(yīng)采用具有雙層金屬防護(hù)層的電纜，其外層金屬防護(hù)層在頂部及進(jìn)入機(jī)房入

13、口處的外側(cè)應(yīng)就近接地。當(dāng)采用單層屏蔽電纜或無屏蔽線纜時， 應(yīng)穿金屬管或金屬線槽引入建筑物內(nèi)， 金屬管 ( 或線槽 ) 的兩端就近接地，金屬管 ( 或線槽 ) 的連接處應(yīng)有效跨接(GB50057-94 第條) 。因此，出入信號樓、通信樓的電力電纜 ( 線) 、通信纜線、信號電纜應(yīng)采用金屬護(hù)套電纜或敷設(shè)在金屬管內(nèi)， 纜線金屬護(hù)套或金屬管應(yīng)在頂部及進(jìn)入機(jī)房入口處的外側(cè)就近分別接地； 進(jìn)入信號樓、 通信樓低壓電力電纜宜全程埋地引入， 其電纜埋地長度不應(yīng)小于 15m；微波鐵塔上架設(shè)的同軸電纜應(yīng)穿在金屬管內(nèi)，金屬管應(yīng)分別在上下端接地；進(jìn)入機(jī)房的電纜橋架應(yīng)屏蔽接地。（2）信號樓、通信樓應(yīng)采用共用接地系統(tǒng) (

14、GB5005794第條) 。因此，一棟樓內(nèi)的電子設(shè)備應(yīng)共用一組接地裝置， 應(yīng)按均壓、等電位的原理，將工作地、保護(hù)地和防雷地組成一個聯(lián)合接地網(wǎng)。 站內(nèi)各類接地線應(yīng)從接地匯集線或接地網(wǎng)上分別引入。 通信樓的接地裝置應(yīng)按照 YD506898( 移動通信基站防雷與接地設(shè)計(jì)規(guī)范 ) 的要求予以改造。2信號樓雷擊電磁脈沖防護(hù)信號樓主要包括微機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備、 無線列調(diào)及平面調(diào)車車站電臺、 計(jì)算機(jī)服務(wù)器、站場廣播機(jī)及車站數(shù)字通信分系統(tǒng)等設(shè)備。針對信號樓電源線分兩路架空引入，供電方式為 TT 制式。在總配電箱安裝兩套 OBO3*MC50-B+l*MCl25B第一級電源防雷箱，在交直流配電屏電源入線端加兩套 V20-

15、C3+NPE電源防雷器及在車站綜合柜入線端安裝一套 V20-CI+NPE電源防雷器為第二級電源防雷器。 需要注意的是第一級與第二級防雷器之間的線路應(yīng)保持 5m以上的距離。無線列調(diào)及平面調(diào)車車站設(shè)備，在天饋線進(jìn)入調(diào)度機(jī)房入口與設(shè)備聯(lián)接處安裝 DS-N饋線防雷器，注意設(shè)備機(jī)殼及防雷器地線良好接地。防雷器前端均串接 20A 動力型空氣開關(guān)。戶外信號機(jī)、道岔、軌道電路與室內(nèi)相連的信號線，是重要的引雷路徑，需根據(jù)每一根信號線上電壓的不同相應(yīng)安裝防雷器，分別選擇 V20-C 系列防雷器進(jìn)行防護(hù)：對于交流和直流220 伏信號線采用 V20-C 4+NPE電源防雷器進(jìn)行防護(hù)；對于交直流 1024V信號線采用

16、V20-C175V進(jìn)行防護(hù)；防雷器前端均串接20A動力型空氣開關(guān)。由于信號設(shè)備的保護(hù)地與工作地嚴(yán)格分開， 雷擊發(fā)生時，兩個地線系統(tǒng)可能出現(xiàn)瞬間電壓差，造成電子設(shè)備及人身的損壞和傷害。 為了達(dá)到有效的防雷保護(hù)，在兩個地之間安裝 OBO地極保護(hù)器 480。其特點(diǎn)是：正常工作狀態(tài)下，兩地相互無干擾；雷擊狀態(tài)下， 480 迅速導(dǎo)通，兩地電壓均衡，消除反擊電壓；響應(yīng)時間小，納秒級導(dǎo)通；安裝方便，直接連接于兩接地匯流排之間。3通信樓雷擊電磁脈沖防護(hù)針對通信樓電源分兩路架空引入， 引雷幾率較大， 低壓電纜應(yīng)地埋 15m以上引入通信樓，在主配電箱安裝兩套 3*MC50-B+1*MCl25-B第一級電源防雷箱。在數(shù)字微波入線端第二級電源防雷器 V20-CI+NPE。由室外引入的微波收發(fā)饋線均安裝 DS-N饋線防雷器。在電纜充氣設(shè)備電源入線端安裝第二級電源防雷器V20-CI+NPE。在機(jī)房內(nèi)安裝等電位連接排 4801，機(jī)房內(nèi)所有設(shè)備的機(jī)殼及防雷器接地線都連接至等電位連接排上。 所有設(shè)備的機(jī)殼均可靠接地， 所有接地線共用一組接地裝置。 接地電阻為 1 歐姆以下。防雷器前端均串接 20A動力型空氣開關(guān)。五、應(yīng)用效果通過 2002 年對常營車站、孟樓車站鐵路站場應(yīng)用該綜合防雷方案，站場通信、信號設(shè)備雷電