薛坤斌 上海鐵路局總工程師室

非電化區(qū)段鐵路設備防雷改進方案探討

薛坤斌 上海鐵路局總工程師室

對非電化區(qū)段鐵路設備防雷現狀、存在的實際問題和近幾年因雷擊設備損壞事件進行了深入分析,并根據國內外防雷有效手段和措施，提出行之有效的防雷改進建議。關鍵詞 非電化；設備防雷；改進方案

1 概況

目前，隨著各主要干線電化改造、高鐵線路漸次開通，電化區(qū)段鐵路設備采用的防雷設施較為完備。但，在那些偏遠的非電化區(qū)段鐵路設備所采取的防雷措施卻仍然非常陳舊和落后。每年雷雨季節(jié)，在因雷擊引起的這些非電化區(qū)段鐵路設備故障較多，嚴重影響行車效率和安全。

2 非電化區(qū)段鐵路設備防雷現狀簡述

2.1 接地形式

非電化區(qū)段的接地均為分散接地方式，且分為室內和室外接地兩種形式。具體接地形式如下：

（1）室內接地線共分為三種：防雷地線（接地電阻≤10 Ω、沙石地段為≤20 Ω）、安全地線（接地電阻≤10 Ω、沙石地段為≤20 Ω）、微電子計算機保護接地（接地電阻≤4 Ω）。

（2）室外僅信號防雷型軌道電路變壓器要求加裝接地線，接地電阻為≤10 Ω（沙石地段為≤20 Ω）。

2.2 防雷設備

非電化區(qū)段室內加裝防雷設備：供電電源輸入、輸出部分加裝兩級橫向、縱向防雷模塊；通信電纜通道加裝橫向防雷模塊；信號軌道電路室內接受端加裝簡單防雷模塊。

（1）電源防雷采用二級防雷：現在非電化區(qū)段的貫通電源和自閉電源為380V三相電源，所采取的防雷措施與電化區(qū)段、高鐵線路電源防雷基本一致。

（2）非電化區(qū)段的信號軌道電路多為JZXC-480型軌道電路，僅在室內接受端電纜側加裝橫向防雷模塊。

3 實際運用中存在的問題

由于非電化區(qū)段信號設備所采取的防雷方案考慮不全面、存在缺陷，在每年的雷雨季節(jié)均會發(fā)生設備被雷擊損壞事件。主要缺陷有如下幾點：

3.1 接地線設置不合理

（1）通信、信號機械室內接地線分類太雜，接地電阻標準太低，無法滿足現場防雷接地要求。由于機械室多種地線均為單獨設置在房屋四周，在某個點發(fā)生雷擊時，易在不同地線間產生電勢差，從而損壞設備；同時，由于接地電阻標準要求較低，在遭受雷電感應時，設備通過地線將瞬間感應的電荷釋放至大地的效果不理想。

（2）各類電纜的鎧裝鋼帶、鋁護套等均未統(tǒng)一做地線，無法預防室外雷電感應電勢串擾室內設備。

（3）車站站房（含信號、通信機械室、供電配電室）、廣場照明燈、各類鐵塔（含通信、電信鐵塔）、室外高柱信號機、各類高柱金屬標志牌未做接地處理，在曠野地帶基本為最高設施，在雨水淋濕水泥機柱時，易受直接雷擊。

3.2 防雷設施不完整

（1）車站站房（含信號、通信機械室、供電配電室）屋頂未采取防雷措施，易受直擊雷襲擊。

（2）信號機械室內除軌道電路受端電纜側加裝橫向防雷模塊外，軌道電路發(fā)送端、道岔啟動/表示電路電纜側、信號機點燈電路電纜側等處均未加裝防雷模塊，這樣在雷電擊中室外相關設備時，已通過電纜芯線串至室內，損壞相關設備。

（3）室外信號軌道電路變壓器、信號機變壓器也未裝防雷模塊，在雷擊中鋼軌、信號機時，易損壞變壓器，并讓雷電順利串至室內。

4 改進方案建議

借鑒多年來綜合防雷施工方案和在實踐運用中不斷完善的經驗教訓，結合非電化區(qū)段實際情況，提出以下改進建議。

4.1 優(yōu)化地線配置、降低接地電阻

地線是防雷的關鍵所在，雷電擊中室內外設備并最終需經設備入地，否則因雷電產生的強大電荷無法釋放。直接雷擊中機械室房屋、線路設備、終端設備，放電電壓高（可達500 kV以上）、放電電流大（可達200 kA以上）、放電過程時間短（一次閃電放電時間在40 μs左右）、閃電電流波形波頭陡度大（在不到1 μs的時間內可達100 kA，沖擊力強勁），所以直擊雷破壞性極大（如圖1）。為了及時消除電荷堆積，就需要及時將電荷釋放到大地。通過電磁理論研究、實驗室試驗和現場使用情況分析發(fā)現：接

地線接地電阻越小、導電率越大、截面積越大、與土壤接觸面積越大，雷擊電荷堆積越小、入地釋放時間越短，造成設備的損壞就越小。因直接雷放電的強大電磁場（感應雷）作用在鄰近的導線或電子、電氣設備系統(tǒng)內產生的靜電感應過電壓和過電流以及電磁感應過電壓和過電流等，與接地線的關系也是如此（如圖2）。針對雷電的以上特點，結合非電化區(qū)段的接地現狀，提出如下接地線改進建議.

圖1 直接雷放電示意圖

圖2 雷電的靜電感應示意圖

（1）補全接地線。

車站站房（含信號、通信機械室、供電配電室）、廣場照明燈、各類鐵塔（含通信、電信鐵塔）、室外高柱信號機、各類高柱金屬標志牌等均應按照相關防雷標準做好接地線。

（2）優(yōu)化設備地線配置。

室內各類地線應采用集中與分類相結合原則進行設置。

信號機械室接地點應按照綜合防雷標準在機械室四周統(tǒng)一做成信號設備使用的接地網，并將室內的電源防雷地線、電纜鋼帶/鋁護套地線、組合架（柜）地線、分線盤防雷地線等分別引接至接地網。

通信機械室、供電配電室防雷接地可比照信號機械室接地方案進行改進。注意：供電配電室所用接地網不能與信號、通信機械室接地網連接、更不能共用，防止強電干擾弱電。

（3）改進接地方式。

為了使接地電阻降低，導電率、截面積、與土壤接觸面積增大，結合實際情況，建議采取以下措施：

①為了接地線本身導電電阻較低、導電率、截面積較大，結合實驗室檢驗的經濟且效果良好的結果，建議室內外各類接地線采用50 mm2銅線。

②為了增加接地極與土壤的接觸面積，機械室采用地網接地方式、室外采用集中設置接地極（接地網）結合貫通地線連接方式，這樣既增加了接地極與土壤的接觸面積又降低了接地電阻。這種接地極設置方式在沙石地質、山區(qū)尤其明顯。

③提高接地電阻標準

為了提高接地效果，借鑒高鐵接地標準和現有接地工藝，適當將各類接地電阻標準提高為≤1 Ω，也可使用防雷接地極最新研制成果-儲能式接地裝置。

4.2 根據實際需要增加防雷設施

（1）車站站房（含信號、通信機械室、供電配電室）屋頂應采用建筑頂層避雷網并做好接地處理，防止直擊雷襲擊，使屋內人員、設備免受傷害。

（2）根據最新綜合防雷標準，在室內各類入戶電纜側加裝相應規(guī)格的縱、橫向防雷模塊并做好接地處理，這樣在雷電擊中室外相關設備時，通過防雷模塊的過壓、過流保護，防止感應雷通過電纜芯線串至室內，損害設備。

（3）根據室外軌道電路變壓器、信號機變壓器防雷需要，加裝相應的防雷模塊，在雷擊中鋼軌、信號機時，防止感應雷損壞變壓器、串至室內。

5 實例分析

2014年7月12日17：50，雷擊造成宣杭線建國站IBG、4DG出現紅光帶，2/ 4號道岔定反位無表示。

5.1 原因分析

（1）該雷為直接擊中SF高柱進站信號機機構。

（2）損壞設備：SF燈泡爆裂，附近的ⅡBG、2DG的送電端XB箱內一次側1A空開被擊碎，2#道岔尖1室外二極管組合的電阻被擊斷。

（3）雷擊線路：雷電擊中SF高柱信號機后，通過金屬梯子和被雨淋濕的水泥機柱傳導至附近鋼軌，鋼軌通過：分支一、軌道電路箱盒引接線傳導至變壓器，當大電流欲通過一次側1A空開時，電流過大，引發(fā)空開爆裂，切斷其向串擾通道；分支二、通過潮濕的道岔轉轍機桿件，沿電機轉子繞線和配線，傳導至二極管組合，擊斷回室內通道的電阻，切斷其向串擾通道。

5.2 存在問題

二通道進站信號機地處空曠地帶，且為最高點，機構未做接地（非電化區(qū)段不要求做），所以當直接雷擊中高柱信號機時無法迅速釋放到大地，于是就擴大范圍釋放電荷，造成雷擊影響面擴大。

5.3 改進措施和實施效果

將非電化區(qū)段的高柱進站信號機按照電化要求做接地處理。

6 結束語

上述非電化區(qū)段鐵路信號設備防雷改進方案，2012-13年，寧蕪線塔橋站，北楊線張廟站，皖贛線胡樂站、黃山站防雷改進方案均已實施到位，到目前為止，未發(fā)生一起雷擊損害設備事件，防雷效果比較明顯。

責任編輯：萬寶安 竇國棟

來稿日期：2015-01-06