盧 萍，沈懷密，王建福

(1.中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司濟(jì)南勘察設(shè)計(jì)研究院，山東濟(jì)南 250012；2.沂沭鐵路有限責(zé)任公司，山東臨沂 276700；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司通號院，四川成都 610031）

0 引言

在鐵路工程系統(tǒng)中，電子設(shè)備作為一種比較常用的電子元件，在保證鐵路安全運(yùn)行、提高勞動(dòng)條件、提升輸送效率等方面都具有非常重要的意義。雷電作為一種自然界常見的現(xiàn)象，會影響鐵路信號系統(tǒng)，對貨物和旅客的正常輸送造成較大的影響。在這種情況下，分析雷電對鐵路信號系統(tǒng)的影響方式，對降低雷擊事故的出現(xiàn)概率具有重要意義。

1 鐵路信號系統(tǒng)受雷擊影響的類型

（1）電磁脈沖。若設(shè)置有信號設(shè)備的建筑物或裝有信號設(shè)備場所的建筑被雷電正面擊中，在信號系統(tǒng)里面會有由雷擊形成的電磁脈沖，影響鐵路信號系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）電磁感應(yīng)。感應(yīng)雷的形成與雷云的關(guān)系非常密切，當(dāng)雷云放電或雷電在雷云間時(shí)，不遠(yuǎn)處的戶外傳輸信號電纜線、信號路線、埋地電力線一級設(shè)備間連接都會出現(xiàn)電磁感應(yīng)的現(xiàn)象。

（3）軌道電路。當(dāng)信號設(shè)備的軌道電路被雷擊侵入時(shí)，由于軌道電路的傳輸線比地面的鋼軌高出很多，在地理環(huán)境因素的影響下，鐵道旁有些高大物體（大山、樹林、大橋等）很容易被雷擊中[1]。

（4）直接雷擊。是在雷電活動(dòng)區(qū)域內(nèi)，直接通過建筑物的構(gòu)架、鋼軌放電和信號傳輸路線而產(chǎn)生的一種電擊現(xiàn)象。

2 雷擊影響鐵路信號系統(tǒng)的途徑

2.1 雷電直擊對鐵路信號系統(tǒng)的影響

（1）雷電直擊對系統(tǒng)過電壓的影響。當(dāng)信號樓被雷電直擊時(shí),引下線（電源線、電話線、信號線）等外部避雷設(shè)施將小于50%的雷電能量泄放到大地,信號樓的供電系統(tǒng)將約40%的能量分流。其中，信號樓的通信網(wǎng)絡(luò)線纜將約5%的能量分流,剩下的由其它金屬管道、纜線進(jìn)行分流。信號樓內(nèi)的布線狀況和管線結(jié)構(gòu)影響能量的分配比例。當(dāng)雷電直擊信號燈塔柱、軌道電路等樓外信號設(shè)備時(shí),過電壓由設(shè)備外殼或金屬管線直接入侵到設(shè)備的內(nèi)部,信號設(shè)備被損壞。雷電直擊信號樓主要入侵途徑如圖1所示。

圖1 雷電直擊信號樓主要入侵途徑

（2）對鐵路信號系統(tǒng)產(chǎn)生的機(jī)械沖擊力影響。本文以轉(zhuǎn)轍機(jī)舉例說明雷擊機(jī)械效益所產(chǎn)生的內(nèi)部壓力，當(dāng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的外殼被雷電擊中后，就會產(chǎn)生很大雷電流熱，由于雷電放電時(shí)間極短，熱量無法短時(shí)間內(nèi)放出，機(jī)械設(shè)備的內(nèi)部就會產(chǎn)生很大的壓力，致使轉(zhuǎn)轍機(jī)出現(xiàn)爆裂的情況，影響整個(gè)信號系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）鐵路信號系統(tǒng)點(diǎn)動(dòng)力受雷電直擊的影響。根據(jù)電磁理論可以看出，有電流的地方就一定有磁場。當(dāng)載流導(dǎo)體的四周有磁場存在時(shí)，就會影響截流導(dǎo)體。圖2為當(dāng)雷電擊中通向信號樓的兩根平行線時(shí)的載流導(dǎo)體模型。

圖2 同向電流電動(dòng)力對平行截流導(dǎo)體的影響模型

假設(shè)平行載流導(dǎo)體分別為A、B，在雷擊電流的影響下，平行截流導(dǎo)體會向相同的方向傳遞電流i1和i2，分別從室外傳向室內(nèi)，因此，電磁對導(dǎo)體的影響時(shí)間很短，產(chǎn)生的作用力也遠(yuǎn)低于導(dǎo)體自身的機(jī)械振動(dòng)。根據(jù)安培定則進(jìn)行推算：

在瞬間產(chǎn)生的雷電流在幾百千安以上后，在導(dǎo)體上產(chǎn)生的瞬間作用力是非常大的，在這一作用力的影響下，導(dǎo)線會出現(xiàn)劈裂和斷裂的情況。假如，兩個(gè)導(dǎo)線之間的距離為50 cm,在兩個(gè)導(dǎo)線上產(chǎn)生的瞬間電流均為100 kA。按照上述公式計(jì)算后可知，每一米導(dǎo)線大約受到了408 kN單位外力，很有可能折斷兩根導(dǎo)線。

（4）雷電直擊可使鐵路信號系統(tǒng)溫度過高。當(dāng)鐵路的外部信號設(shè)備或者樓內(nèi)信號設(shè)備被雷電擊中后，會產(chǎn)生大于300 kA的雷電流，并且這一過程非常短，雷電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)會影響信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)和軌道電路，并且短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量會使電路通路周圍的溫度突然上升，溶化非金屬物體或金屬物體。

2.2 雷電感應(yīng)對鐵路信號系統(tǒng)的影響

通常情況，雷電直接擊中鐵路信號系統(tǒng)設(shè)備的概率很小,但是雷電感應(yīng)產(chǎn)生的危害范圍比雷電直擊的范圍大很多。強(qiáng)大的電磁場因雷電流而發(fā)生變化，電磁場與導(dǎo)體感應(yīng)出過電壓、過電流，雷電直擊形成。感應(yīng)雷對信號機(jī)等鐵路信號系統(tǒng)的外部設(shè)備影響較小,信號樓內(nèi)信號系統(tǒng)受到電磁脈沖的影響比較大,如果在1 000 m的范圍有雷擊情況的發(fā)生,導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)浪涌強(qiáng)度足夠大,所以電源線、信號線等分布在信號樓內(nèi)外的設(shè)備都會感應(yīng)到雷電,雷電波產(chǎn)生后侵入到信號樓內(nèi)，使信號設(shè)備的正常工作受到干擾[2]。鐵路信號系統(tǒng)被雷電感應(yīng)入侵的途徑有以下幾種：

（1）入侵天線端口，感應(yīng)雷以信號樓天線、避雷針或避雷網(wǎng)作為路徑入侵;

（2）入侵電源端口,感應(yīng)雷以信號樓的外接電源線為侵入路口;

（3）入侵信號線端口,感應(yīng)雷以信號樓外的接信號線為入侵路徑;

（4）以信號樓的鋼結(jié)構(gòu)及信號設(shè)備的外殼為侵入口。

3 鐵路信號系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)

一般傳統(tǒng)避雷裝置會使50%的雷電流直接泄入大地，剩下的50%將平均流入電源線、鋼軌和信號電纜等各電氣通道。接閃、引流和泄流是信號樓防直擊雷的主要部分。

3.1 選擇接閃器

避雷針是防雷電直擊采用的防護(hù)措施。通常普通的避雷針是一根鐵棒,磨尖端部,利用接地引下線把地電位(一般認(rèn)為零電位)連接到針尖,利用比被保護(hù)物高很多的針尖,進(jìn)行上行先導(dǎo)（比被保護(hù)物優(yōu)先產(chǎn)生）,與雷云的下行先導(dǎo)碰到,引雷入地的效應(yīng)形成,防止其受到雷擊的損害。它適用于信號樓外部鐵路信號設(shè)備，可以用它來隔離直擊雷。如為了實(shí)現(xiàn)接閃，將避雷針安裝在高柱信號機(jī)防直擊雷的塔桿頂端。通常用避雷針保護(hù)整個(gè)信號樓,能夠避免直擊雷對其的損壞,但因?yàn)樾盘枠菢菍虞^矮,周圍有很多高大的建筑及鐵路設(shè)備,因此安裝避雷針不是保護(hù)信號樓免受直擊雷損害的理想方法。信號樓上安裝避雷針的數(shù)量越多引雷的概率越大,受到雷電影響的概率較大,因此，為了防止信號樓被直接雷擊，應(yīng)該將避雷針改為避雷線或避雷網(wǎng)，此二者可以直接攔截雷擊，用于接閃、接引雷電流，通過引下線和接地裝置泄放,防止系統(tǒng)設(shè)備受到直擊雷的損害。

3.2 設(shè)置引流系統(tǒng)

引下線構(gòu)成了引流系統(tǒng),其可以連接接閃器和接地裝置,雷電直擊的泄放通道也從中產(chǎn)生,緊密與深埋地下的接地裝置連接,接閃器實(shí)現(xiàn)接地。避雷針的引下線通常都是信號樓墻體內(nèi)的鋼筋結(jié)構(gòu),但是鐵路信號樓內(nèi)的信號系統(tǒng)需要有專門的引下線。若全部雷電流的疏導(dǎo)僅僅靠一根引下線,避雷針進(jìn)行捕獲雷電時(shí),盡管引下線的電阻很小,但其它兩端產(chǎn)生的幾十千安的雷電流將會存在很大的電位差。假設(shè)將引下線的電阻定為10Ω,如果有10 kA的雷電流通過,引下線的上下兩端的電位差將會達(dá)到10 kV,造成周圍金屬導(dǎo)體產(chǎn)生旁側(cè)閃絡(luò)的情況[3]。只有利用多根引下線才能降低這種閃絡(luò)危險(xiǎn)。為避免多根引下線的使用導(dǎo)致不均勻雷電流的出現(xiàn),需要設(shè)置均壓環(huán)，但需要隔一定高度設(shè)置一個(gè),將所有的引下線連接起來。保證引下線與接閃器可靠燥接,與熱穩(wěn)定要求相一致。當(dāng)使用時(shí),對稱敷設(shè)引下線,使雷電流流入引下線中時(shí)，保證信號系統(tǒng)內(nèi)部的雷電磁場矢量和達(dá)到最小值,絕緣于系統(tǒng)高度,用最短的路與地下垂直體鏈接，同時(shí)把彎曲度降低。如果必須要將其彎曲,盡量避免將其彎成直角或銳角,防止增加雷擊時(shí)候的阻抗。

3.3 設(shè)置散流系統(tǒng)

接閃器使雷電直擊受雷,高電位的電流必須要利用散流裝置在大地上疏散，因此，散流裝置的合理設(shè)置是非常必要的。接地體和接地線兩部分組成了接地裝置。其中，接地體是指埋進(jìn)大地內(nèi)，并且與土壤產(chǎn)生直接接觸狀態(tài)的金屬導(dǎo)體；接地線是指設(shè)備中接地的部分與接地體相連的金屬導(dǎo)體。接地的種類較多,室內(nèi)浪涌保護(hù)器和屋頂避雷針的接地屬于防雷接地的類型,金屬桿塔、避雷針(線)和避雷器等設(shè)備都需要與接地裝置相匹配,這樣的做法可以防止雷電產(chǎn)生大的危害，有利于將強(qiáng)大的雷電流直接導(dǎo)入到大地中，實(shí)現(xiàn)暫態(tài)雷電波與線路交流浪涌的能量順利泄放到大地的目的,有效的保護(hù)系統(tǒng)正常、設(shè)備安全及人員的安全。如果不接地裝置或接地不良，避雷設(shè)施就會失去其該發(fā)揮的功效。設(shè)置信號樓的整體接地網(wǎng),但將引下線直接埋入大地的方法可以直接用于室外信號機(jī)、道岔設(shè)備以及軌道電路等地方。

4 結(jié)語

總而言之，為防止雷擊對鐵路信號系統(tǒng)造成危害，將鐵路系統(tǒng)的作用充分發(fā)揮出來，需要進(jìn)一步深入分析雷擊對鐵路信號系統(tǒng)造成的影響，并制定具體的防雷措施，從而使鐵路信號系統(tǒng)更好地為列車運(yùn)行進(jìn)行服務(wù)。

[1]董冰，等.電子信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖風(fēng)險(xiǎn)評估方法[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2008,(27)：351-352.

[2]萬平.輸電線路雷電防護(hù)的設(shè)計(jì)及在膠濟(jì)線接觸網(wǎng)中的應(yīng)用分析[D].北京：北京交通大學(xué),2007.

[3]魏帥，等.電子信息系統(tǒng)的雷電防護(hù)探析[J].黑龍江氣象,2011(28)：296-297.