铁路信号室内综合防雷

摘要:随着铁路运输装备技术水平的不断提高,计算机集成技术、接口技术、及通信技术在铁路信号系统中广泛应用。铁路信号系统对雷电的防护要求也就越来越高。根据站场中信号设备的分布的特点,利用现代防雷手段,对铁路信号系统综合防雷,提高信号系统运行的可靠性与稳定性。
关键词:铁路信号;综合防雷;接地系统;SPD

    通信、信号与控制系统等电子设备系统,是列车安全、正点、高速、高密度运行的重要技术装备。铁路信号系统故障将会使铁路运输遭受巨大的经济损失和造成巨大的社会影响。而雷电灾害是电子集成设备系统故障的重要根源。由于微电子元件耐过压能力低,而雷电高电压以及雷电侵入时所产生的电磁效应都会对系统造成干扰和损坏。对铁路信号系统采用综合防雷手段,可能将雷电灾害降低到最低的限度,减少信号系统遭受雷电损害的风险。同时、还能保护线路范围内的人身安全,减小雷电电磁效应对人身的伤害。

1 综合防雷
   
建筑物内的电子设备的雷电电磁脉冲安全防护是一个系统工程,不是简单的添加防雷元件和防雷设备便可一劳永逸的。而应该采取机械室屏蔽、合理的布线、规范的接地和浪涌保护器的等多种措施相结合的方式,实现雷电的综合防护。
    计算机控制系统,通信信号传输系统等设备的综合雷电防护包括改善设备所处场地的电磁环境与合理浪涌防护装置的安装,可以有效地防止站场附近落雷形成的感应雷和传到雷进入信号楼内对机械室室内设备造成破坏,危机行车安全。

2 建筑物的防雷要求
   
按照系统防护的概念,就是要优化设备所处场所的电磁防护。而优化电磁环境则是应该做好建筑物的雷电防护。在规划设计机械室时应同时考虑到防雷系统,不仅对新建建筑,而且对已有建筑根据防雷的原理因地制宜的采取行之有效的方法。
2.1 建筑物防护
   
1)信号楼在设计时,应当设置良好的避雷带或避雷网,如果建筑物含有卫星接收天线或者雷达,则还可增加设置仅是为保护雷达和天线设备的避雷针,将雷达或天线设备置于避雷针的保护范围之内。
    2)避雷带、避雷网“或避雷针”要有良好泄流地网,即在设计时应做好接地系统,接地系统的布局直接影响均压效果、等电位结构和地电位反击等。一般在建筑物基础上做若干接地体,这些接地体连接成一体,构成基础接地体。此外。还应设置环形接地体与基础接地体搭接。
    3)新建建筑物中钢筋做成屏蔽网,主钢筋和避雷带或避雷网接为一体,构成法拉第笼。
    以上这种做法可以是人地的雷电流在建筑物上的不钢筋均匀分布,减少了雷电流周围的雷电电磁脉冲。同时也是地电电位上升量变小,减小地电位反击电压。
2.2 内部防护
   
在室内为形成均压等电位的结构,减少由雷电流引起的电位差。所有引入和引出的被保护空间的电源线和通信线路或其它导体都和雷电防护等电位搭接,使雷电流导入大地。根据防雷区域的划分如图1所示,通常将抗干扰能力较弱的电子设备放置于LPZ2区和LPZ3区。(LPZ:Lightning protection zone雷电防护区)“内部防护”可采用屏蔽、均压和防闪络措施。

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    对机械室来说,屏蔽除了建筑物结构的钢筋构成的屏蔽网外,指的是还要和内部的其它金属结构如防静电地板、电缆屏蔽层、金属构架等搭接并可靠的接地。这样不尽可以防护雷电电磁脉冲的影响,若增加屏蔽层得厚度,和屏蔽网孔的密度还可以做到防高频电磁波的干扰。
    等电位连接的目的是防止雷击时。均衡建筑物内参与等电位连接部件间的点位,使室内所有金属物间不会出现电位差,也就完成了室内所有金属物的均压。

3 设备摆放位置和电缆屏蔽与布线
3.1 设备摆放位置
   
计算机控制系统、通信信号设备的摆放位置应安置在不易受到感应雷电干扰的地方。因此机械室不能设在建筑物的顶层,该处太靠近楼顶防雷系统的金属网和避雷针。设备的摆放也不能太靠近外墙,尤其是拐角处,因为雷电流具有优先流经最外层接地导入地下的特性,雷电流还将优先流经外墙的拐角处。设备应摆放到机械室的中央,以便减少感应瞬态过压威胁的地方。
3.2 电缆的屏蔽与布线
   
电力电缆、数据通信、信号和电话电缆在机械室内同样可能受到雷电感应过压的威胁。机械室内部得设备布线尽可能避开建筑物的顶部或墙内可能泄放雷电流的导体。当电源线和数据线缆之间形成的环形面积越大时,从电磁耦合感应的效果来说,它将会获得更多的雷电能量,因此应该尽量避免环形布线。电源、数据通信、信号和电话线缆应彼此隔离的并排铺设。不同的电缆可由不同的电缆槽防护如,电力电缆可由钢质电缆槽防护,数据电缆可采用外层有禁书编织带屏蔽层得电缆,其效果取决于材料、结构和电磁波的频率。

4 接地与等电位防护
   
在综合防雷系统中接地是非常重要的一项措施。建筑物得外部防雷装置避雷针、避雷带、避雷网通过引下线向接地装置泄放雷电流;内部防雷装置建筑物屏蔽必须与接地装置搭接才能有屏蔽的效果;电子设备安装的浪涌保护器必须与接地连接才有作用。接地终端系统的任务就是使雷电通常并且迅速的泄放到大地,搭接网络的任务就是最大程度的减小电位差和电磁场。
4.1 接地终端系统
   
按照国家标准GB 21714.3—2008建议两种基本类型的接地排列类型。1)A类排列:此种排列由水平或者垂直接地体连接至每一引下线,接地体的数目不少于2。2)B种排列:此种排列由建筑物外部环形导体(至少其总长度的80%)与土壤或基础接地体接触而成,此类为网络状。
建筑物内如果只有耐雷能力极强的电气集中设备时,可采用A类接地布置,但最好采用B类。如果建筑物内拥有大量电子系统和数据交换系统,应当使用B类接地布置排列。
4.2 搭接网络
   
为避免建筑物内各种设备出现点位差的危险,必须建立低阻抗等电位连接网络。低阻抗等电位连接网络还可以减小电磁场的强度。一个典型的网状搭接网要求建筑物上和建筑物内的金属部件多重相互连接(如混凝钢筋、吊架、金属管道、电缆槽、地板框架等)。同时还应做一个搭接母线与屏蔽连接到一起。每一个金属或导电的部件直接接地或者通过合适的SPD(浪涌防护装置)接地。

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    电子设备的保护地线可以用星形结构或网状结构与搭接网络连接如图2所示。采用星形接法时,电子系统的所有金属部件应当与接地系统完全隔离,而应该通过与接地母线与接地系统连接。采用网状接法时,电子系统所有金属部件不必与接地系统隔离,但应当通过多个搭接点将电子系统与接地系统连接。

5 SPT(浪涌防护装置)
    SPD是“浪涌(冲击)防护装置”的英文缩写。SPD是用来降低持续时间有限的浪涌(冲击)过电压和过电流的装置,它可以是单个或者由多个非线性的元件组合而成的,也可以是线性元件和非线性元件多功能集合而成的。
    用于电气电子设备的SPD为低压SPD。计算机控制系统、数据通信、信号和电话线路的接口处安装防雷设备是保证设备免受类还得关键一环。为实现等电位防护,在电源和通信数据通道设置浪涌保护器。使电源线、通信线和数据线与地线之间在雷击时实现宏观上的等电位。用来限制由电源线侵入电源设备的雷过压及过流的浪涌保护器叫做电源SPD。用来限制数据传输、通信、信号线侵入控制设备的雷过压及过流的浪涌保护器叫过通道SPD。
    通道SPD应做到“传输第一,防护第二”,以保证数据交换传输能够够不间断进行,同时做到在雷害发生时能够保护设备安全。电源SPD要求“安全第一,防护第二”,这是针对电源SPD工作在较大电压和电流下,自身的安全比防雷重要。因为雷电是小概率事件,但SPD是常年接入使用的。
    雷害入侵时SPD应该做到:
    1)动作迅速。将过电压抑制在保证设备安全的足够低的值;
    2)SPD的功率与雷电的期望值大,可经住大部分雷击而不损坏;
    3)雷电作用完后,SPD必须立即自动恢复常态。

6 结论
   
建筑物外部防护的目的是在建筑物及其附近遭受雷击时,减小入地雷电流产生的电磁感应对室内设备的影响。内部防护的目的是遭受雷击时,阻挡大气中的雷电电磁脉冲侵入室内影响室内设备。室内设备的电源线路和通信信号数据传输线路通过合理的布线可以减少雷电电磁脉冲对其的危害。设置SPD(浪涌保护装置)目的在雷害发生时与地线结合,将入侵的小部分雷电流泄放的地下,并将雷电过压降低到设备的耐压水平下。
    通上述形成的防线,可以有效的防治雷害发生时雷过流、过压及雷电的电磁脉冲对室内计算机控制设备、通信信号设备的影响,完全实现等电位防护。可以有效保证设备运行的可靠性,提高站场运输效率。

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