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摘 要： 随着铁路信号设备逐渐向数字化、网络化、智能化方向发展，在铁路信号设备中使用大规模集成电路和低耐压器件，而这些电气设备受到外界环境的影响很大，尤其是雷电灾害，是铁路信号设备运行过程中的主要危害，防雷电性能是铁路信号设备的一个基本功能，本文结合当前信号设备系统的实际情况，对铁路信号设备的雷电综合防护体系设计进行分析与探讨，旨在为信号设备防雷提供理论支持。
关键词：铁路信号设备 防雷电 综合体系
中图分类号：U284 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）07-0203-02
引言
铁路信号设备是铁路车辆运行过程中的重要基础设施设备，可以对铁路运行过程中的各种故障和问题进行体现，以便技术人员及时对故障进行处理，防止带来严重的安全隐患。随着我国信息技术不断发展，大型智能化信息设备在铁路系统中的应用越来越广泛，尤其是一些大规模集成电路和低耐压器件，在信号设备中的应用越来越广泛，雷电危害是电气设备运行过程中的主要危害，雷雨天气可能会导致电气设备被击中烧毁，进而导致整个信号系统乃至铁路系统出现瘫痪，带来严重的安全隐患。对此，防雷电是铁路安全运输的基础，也是铁路部门研究的重点工作。建立铁路信号设备综合雷电防护体系，可以极大地提高信号设备对雷电的预防和应对能力，当前铁路系统中的信息设备遇到的雷电危害主要有两种，一种是直击雷，一种是感应雷，针对这两种不同的雷电危害，需要建立综合防护系统，提高信号设备以及其他电气设备对雷电危害的预防水平，并且要建立相应地应急系统，一旦出现雷电击中电气设备的现象，要及时采取应急设备对故障进行应急处理，确保铁路系统能够正常运转，保障人们的出行安全。
一、雷电的危害
雷电是一种比较常见的自然现象，对人们的生产生活有较大的影响，铁路车辆运行过程中一般都是暴露在野外的，各种信号设备的正常运转是铁路车辆安全运行的基础和前提，信号设备很容易受到雷电危害的影响。具体来讲，雷电灾害主要有以下几个方面：
1.直击雷危害
直击雷指的是对铁路信号系统造成直接电机现象的雷电灾害，例如钢轨、信号传输线路等，都容易遭受雷电直击。通常情况下，铁路信号设备遭受直击雷的概率较低，因为很多信号设备自身具有一定的防雷电功能，能够实现对雷电的抵御，但是在铁路信号系统中包含了大量微电子设备，这些设备对直击雷的抵御能力较差，有的微电子设备甚至不具备防御直击雷的能力，因此，当铁路信号设备遭受直击雷危害的时候就很容易出现损坏，微电子设备都是整个信号系统中的关键，因此微电子设备损坏很容易引起信號系统的瘫痪，给铁路运行带来安全隐患。
2.感应雷危害
感应雷危害是铁路信号设备运行过程中遭遇较多的雷电灾害类型，在雷电放电过程中，会形成电磁感应，这些电磁感应会传到地下，并且从地下的电力线缆、传输信号线传到到铁路信号设备中，从而引起铁路信号设备线路终端的各种电子设备的损坏。
3.雷电浪涌危害
雷电浪涌是国内铁路信号设备遭受雷击最为常见的形式之一，雷电浪涌会对铁路信号设备中的微电子设备产生干扰，从而导致这些设备不能正常工作，通讯功能受到影响。
4.雷电冲击波的危害
雷电冲击波是一种突发的高压冲击波，会对铁路信号设备的高压线、供电系统和变压器等设备产生影响，由于突发的高压冲击，很多电气设备都不能承受这些高电压，因此导致设备损坏，对铁路信号系统的正常工作产生十分严重的危害。
二、铁路信号设备防雷要求
信号设备是确保铁路运输安全、稳定、可靠的重要设备之一，因此铁路信号设备的雷电防护要求相对比较严格，在建立综合雷电防护体系的过程中应该要满足几个要求：第一，防雷设备接入到铁路信号设备之后，不能对信号设备的正常运行工作产生影响，不能改变原有设备的性能，例如铁路信号设备的输出功率、接收信号的灵敏度、回路阻抗等参数，都不能被改变。第二，确保防雷设备的放电特性与被保护的信号设备的绝缘耐压水平相匹配，而且要预留一定的浮动空间，提高铁路信号设备的防雷水平。第三，当信号设备采用多级防雷措施时，应该要确保各级防雷设备能够实现逐级正常工作，并且能够对雷电过电压现象进行有效抑制。通常来讲，对于上一级可采用通流容量大、启动速度快的防雷装置，从而使得大部分带雷电流可以流入大地中。例如，室内信号设备电源馈线的防雷水平可以设置为两极，第一级防雷装置可以在室内和室外的交界处进行安装，并且要确保防雷装置有足够大的通流容量，第二级防雷装置则设置在被保护设备的位置处，当雷电灾害侵入的时候，立即启动两级保护，对雷击灾害进行预防。
三、铁路信号设备雷电综合防护体系设计
下图为铁路信号设备雷电综合防护结构示意图：
将现代电气电子设备雷电防护纳入电磁兼容的范畴，是铁路信号设备雷电综合防护体系建立过程中的重要途径，在此基础上，提出了机房 屏蔽、合理布线、规范接地、安装合适防雷保安器等措施，实现对铁路信号设备的综合保护。电磁兼容指的是各种设备或者系统在电磁环境中，能够对环境中存在的电磁干扰进行预防的能力，对于铁路信号系统而言，信号设备的电磁兼容指的是存在电磁环境的情况下信号设备依旧可以正常工作，雷电灾害就会产生电磁感应，因此为了对这种电磁感情进行预防，则除了传统的雷电防护方法之外，还应该要着手改善信号设备所处的电磁环境。
1.改善电磁环境
常规防护
当出现雷击灾害时可能出现雷电浪涌，铁路系统不仅包括室外空间，也包括室内空间，当出现雷击灾害时建筑物外部和内部都可诱导出雷电浪涌。内部的雷电浪涌可以由建筑物的接地终端系统的常规接地阻抗或电缆屏蔽层电阻产生，也可以由电气系统线路构成的回路或者搭接的导体的电感产生，还可能通过雷电通道内流过的电流以及导体中流过的雷电感应电流耦合产生。因此，在铁路信号设备雷电防护体系建设过程中，必须要加强常规避雷防护手段的应用，在建筑物外部依旧要采用传统的避雷针，对雷电灾害进行预防，尤其是对于含有无线电发射天线的铁路相关建筑物，必须要设置避雷针，以实现对雷电灾害地有效预防。除了在外部安排避雷针之外，在建筑物内部也应该要进行防护。
第一，空间屏蔽
上图为屏蔽示意图。
空间屏蔽指的是利用建筑物对雷电磁场进行抵御，并且减少内部雷电浪涌的一种防护方法，空间屏蔽有两个方面，一是建筑物或者机房本身产生的屏蔽，在铁路系统中，建筑物的自然构件必须要采用具有雷电防护功能的材料，例如天花板、墙和地板中可以设置金属加强钢筋、金属框架、金属屋顶等，从而形成格栅型空间屏蔽。经过建筑物的初级屏蔽之后，还可以将电气设備安装在距离屏蔽有一定安全距离的位置，从而实现对电气设备的保护。而且对电气设备的线路进行合理布设，合理的线路设置可以使得雷电的感应回路面积最小，采用屏蔽电缆或电缆管道就可以实现对雷电产生的部分电磁场进行屏蔽，从而减少了铁路信号设备系统中的感应雷电浪涌。
第二，接地
接地是将雷电电流引入地下的重要过程，在铁路信号设备系统建设过程中必须要做好接地工作，尤其是一些新建的电子设备机房，其接地系统应该要采用共用接地方式，这些机房中的电气设备繁多，接线复杂，共用接地模式可以极大地提高电气设备系统的稳定性，出现雷电灾害时可以减少雷电灾害的冲击。接地过程中最常见的做法是利用铁路系统建筑物的基础钢筋地网或桩基网，将其作为接地系统的基础接地装置，并且可以在建筑物四周建立环形接地体，接地体与与基础接地装置之间大约保持1-1.5米的距离。基础接地体与环行接地体之间应该保持连接，在地下至少保持有4处相连。需要注意的是，在铁路站点中有一些钢筋混凝土建筑，这些建筑物的外墙一般采用钢筋网结构，钢筋网也可以作为格栅形空间屏蔽，能够对直击雷进行防护。对于一些改建的电气设备机房，如果没有共用接地系统，则应该要另外设置一组接地体用作保护接地。保护接地装置可以与信号设备的工作地实现连接，但是不能与铁路系统中的各种建筑物的避雷针、避雷带、避雷网等设施的引下线相连。在室内还赢更要设置接地汇集线或者等电位连接母线，汇集线的布局应该形成环形或者条形，不能闭合。
第三，搭接
搭接也是对雷电进行防护的有效方式，搭接是将建筑物内部各个系统所有导体部件与接地终端系统相连，并且形成一个网络，是以等电位防护为基础的一种连接方式。
以下是电子设备可以选择的三种搭接方式。
采用搭接模式进行雷电防护时，相互搭接的金属处于宏观等电位状态，对于电子信号系统设备而言，与接地系统的搭接应该要按照国际电信联盟ITU-T K. 27和国际电工委员会标准IEC62305-4要求，将搭接结构设置为S形结构，按照等电位要求进行搭接。如上图所示，这三种搭接方式中，内部星状隔离连接法和内部呈网格状连接法与共用接地系统都只有一个连接点，但两者的连接方式不相同，其中前者内部呈现星状连接，后者内部呈现网状连接。内外网状多点连接法则对于一些电气设备较多、电气子系统分布广泛的区域，或者在铁路信号设备系统中有很多线路回路，线路与建筑物之间的连接有多个接入点，都可以采用内外网状多点连接法进行搭接，而其余情况一般都采用S型结构进行搭接。
2.室外设备雷电电磁环境的改善
由于雷电灾害会形成不同的电磁环境，而电磁环境又会影响各种电气设备的工作，因此改善室外设备雷电电磁环境是防止雷电灾害的一个有效途径。在具体的操作过程中，可以从几个方面着手：
第一，将室外信号系统设备放置于金属箱、金属盒中，金属箱与金属盒最好采用铁材质，并且要与大地相连接，金属箱与金属盒应该要保持接地，使得铁路信号设备系统处于雷电电磁脉冲屏蔽中。
第二，与铁路信号设备相连接的线缆应该是屏蔽线缆，同时线缆要保持良好接地，也可以使用非屏蔽电缆穿金属管敷设的方式，金属管与土壤可以直接接触。
第三，对于某些铁路段，其信号设备在室外，容易遭受雷电冲击，因此对于这类设备必须要集中安装避雷针，防止雷电直击铁路信号设备、电缆以及轨道。要对避雷针的安装位置进行合理选择，通常来讲，避雷针应该要涵盖站场内的所有信号设备，防止信号设备出现雷电感应。尤其是避雷针的地线，一定要与铁路站场内的钢轨、电缆径路等保持一定的距离，一般要大于20米，避免雷电反击。
3.安装防雷保安器
安装防雷保安器也是铁路信号设备雷电综合防护体系建立过程中的一个重点任务，根据《铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》和《铁路信号设计规范》规定，所有与钢轨或者外线相连的含有电子元件的信号设备，都应该要配备防雷保安器，保安器的安装位置在线路与设备的端口处。防雷保安器是雷电浪涌保护器SPD的一种，可以限制瞬态过压以及分流浪涌电流。在防雷保安器的设置过程中，一般可以采用三级防护，第一级是粗略防护，当电源从室外引入室内的时候可以在室外室内相邻界面做第一级防护。第二级防护主要实现对机房电源的防护，第三级防护是针对具体的用电设备设置的防护手段。在信号设备系统的雷电防护系统设计过程中，第三级防护主要保护的是信号设备，因此对防雷保安器的规格标准有一定限制，行业标准TB/T3074-2003规定，针对信号设备使用的防雷保安器在实验室用3kA、8/20μs波形测试时应小于500V。
另外，由于空气间隙、气体放电管是并联在电源线上的，发生雷击事故之后会产生续流，导致电源短路，单纯的压敏电阻器并联在电源线后，由于电源正向波动时会出现劣化，则会导致电源短路，因此，如果是无人值守的机房或者区间信号设备，在安装防雷器的时候，不能单独使用空气间隙、气体放电管以及压敏电阻器等元件。原则上来讲，信号电缆与铁路信号设备之间的界面都应该要设置防雷保安器，但是由于铁路站点的信号设备的进线线路较多，比较复杂，因此在进入铁路站点的时候，可以设置防雷柜进行集中防护，以便各种设备能够及时维护、更换。在进行集中防护时，防雷柜中的防雷保安器可以采用单级或多级防护，最后的残压应该限制在被保护信号设备端口的耐过电压水平以下。如果信号设备本身有条件，则可以在其内部设置防雷单元，增强铁路信号设备本身对雷电干扰的抵抗力度。需要注意的是，接入防雷保安器之后，不能改变原来信号系统的性能，也不能影响被防护设备的工作。
结语
综上所述，铁路运行过程中信号设备是对铁路运行状态进行反映的重要设施设备，铁路信号系统中含有各种电气元件、微电子元件，在长期运行过程中可能会遭受雷电冲击，尤其是一些设置在室外的信号设备，更容易遭受雷电危害。雷电冲击会对信号设备的工作产生严重影响，导致信号设备不能正常运转，信号传输受到干扰，因此，必须要加强对铁路信号设备的雷电综合防护体系的设计，在常规防护措施基础上，还应该要加强对信号设备所处的电磁环境的改善，提高信号设备本身的雷电防护水平，确保铁路系统安全稳定运行。
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