鐵路信號(hào)樓綜合防雷系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
隨著鐵路跨越式發(fā)展戰(zhàn)略的全面實(shí)施，大批微電子化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化信號(hào)設(shè)備上道，對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的防雷提出了更高要求。因此，有必要對(duì)鐵路信號(hào)防雷進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用現(xiàn)代雷電防護(hù)理論，采用屏蔽、共用接地、等電位連接、合理布線和設(shè)置防雷保安器等綜合防護(hù)技術(shù)，對(duì)信號(hào)設(shè)備進(jìn)行分區(qū)、分級(jí)、分設(shè)備的系統(tǒng)防雷保護(hù)，減少雷電電磁脈沖影響，延長設(shè)備使用壽命，提高設(shè)備可靠性。
1 鐵路信號(hào)設(shè)備防雷現(xiàn)狀
研究表明：雷電電磁脈沖干擾是造成信號(hào)設(shè)備損壞和壽命減少的主要因素。2004 年1 ～ 9 月，鄭州鐵路局管內(nèi)發(fā)生因雷害造成的信號(hào)故障21 件，延時(shí)33h55min，平均延時(shí)1h37min，分別占信號(hào)故障總件數(shù)和總延時(shí)的13. 5% 和18. 6%，對(duì)信號(hào)設(shè)備的正常使用和運(yùn)輸秩序造成了嚴(yán)重影響。
1. 1 電磁環(huán)境惡劣
我國鐵路大部分編組站和車站都處于遠(yuǎn)離城市中心的雷電暴露環(huán)境下，信號(hào)樓附近往往伴有無線列調(diào)天線塔、大型燈光橋、大型吊機(jī)等易引雷的高大建筑物，而且在進(jìn)行設(shè)備技術(shù)改造時(shí)，建筑物防雷改造大多未同步進(jìn)行。信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備都大量、長距離地連接室外信息采集對(duì)象和控制對(duì)象，其中軌道電路又是長距離、大面積暴露地面，且又是電力機(jī)車牽引電流（27. 5kV/ 600A）的通道，牽引電網(wǎng)的瞬態(tài)過壓防護(hù)，通過SPD（ 防雷保安器） 接至鋼軌一側(cè)泄入大地，造成對(duì)軌道電路不平衡，極易遭受雷擊和瞬態(tài)過電壓侵害。電磁環(huán)境除雷電電磁脈沖外，還有來自電化區(qū)段牽引線路高電壓、大電流影響，電力機(jī)車升降弓時(shí)的電弧輻射磁場影響，通信信號(hào)的無線列調(diào)頻率、移頻頻率輻射干擾，設(shè)備電氣開關(guān)電路動(dòng)作引起的浪涌過電壓、過電流電磁脈沖干擾等。此外電源線、信號(hào)傳輸線交混布線時(shí)的交叉干擾，凈化線和未凈化線混在一起相互交叉等，也給防護(hù)增加了困難。
1. 2 雷電防護(hù)單一
過去信號(hào)設(shè)備一般采用在設(shè)備處設(shè)一級(jí)SPD防雷，防雷器材質(zhì)量不高，對(duì)電磁環(huán)境、綜合布線設(shè)計(jì)要求不嚴(yán)，在執(zhí)行“GB50343-2004 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范”、“GB / T50311-2000 建筑與建筑群綜合布線系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范”、“ TB /T3074-2003 鐵道信號(hào)設(shè)備雷電電磁脈沖防護(hù)技術(shù)條件”等方面還存在差距。
1. 3 接地系統(tǒng)繁多
由于鐵路信號(hào)技術(shù)規(guī)范均要求各種接地分設(shè)，且相隔20m 以上，但受沿線地形限制，往往難以滿足要求。一個(gè)車站信號(hào)樓內(nèi)常常有許多不同的接地線，致使雷電反擊現(xiàn)象嚴(yán)重。
2 信號(hào)樓綜合防雷系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
2. 1 鐵路信號(hào)設(shè)備危險(xiǎn)評(píng)估和雷電防護(hù)等級(jí)
根據(jù)鐵路信號(hào)設(shè)備雷電電磁環(huán)境特點(diǎn)，按照GB50343-2004、TB / T3074-2003 規(guī)定， 參照英國BS6651 對(duì)設(shè)備雷電防護(hù)危險(xiǎn)評(píng)估辦法，鐵路信號(hào)樓電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)應(yīng)為B 級(jí)（ 二類），需要進(jìn)行直擊雷、感應(yīng)雷的防護(hù)。
2. 2 信號(hào)樓綜合防雷系統(tǒng)
所謂綜合防雷系統(tǒng)是面向EMC（ 電磁兼容），包括外部防雷（防直擊雷）、內(nèi)部防雷（防雷電電磁脈沖），采用屏蔽、共地、等電位連接、分區(qū)分級(jí)分設(shè)備的SPD 保護(hù)及合理布線等的綜合技術(shù)。
2. 3 構(gòu)筑完整的三重屏蔽體系
在信號(hào)樓內(nèi)，由于信息系統(tǒng)中各電子設(shè)備的重要性不同，所處的電磁環(huán)境不同，對(duì)其采取的屏蔽措施就有差別。目前采取的基本屏蔽措施有信號(hào)樓的自然屏蔽、信息系統(tǒng)的電源線和信號(hào)傳輸線電纜屏蔽，以及電子設(shè)備機(jī)柜、機(jī)箱金屬殼體屏蔽等。
1. 建筑物籠式避雷網(wǎng)的自然屏蔽。它主要利用建筑物鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋構(gòu)成籠式避雷網(wǎng)，將整座建筑物罩住，可以全方位地保護(hù)被罩住的建筑頂部、側(cè)面。對(duì)置于其中的電子系統(tǒng)，它相當(dāng)于一個(gè)“ 屏蔽間”，具有對(duì)電磁干擾的屏蔽作用。另外對(duì)雷擊產(chǎn)生的瞬態(tài)電位升高起到均衡作用，使籠網(wǎng)各部位的瞬態(tài)對(duì)地懸浮電位均衡到大致相等的水平。
2. 信號(hào)樓人工籠式避雷網(wǎng)屏蔽。由人工避雷網(wǎng)（ 帶）、引下線、環(huán)形接地裝置構(gòu)成信號(hào)樓人工避雷網(wǎng)的屏蔽防雷系統(tǒng)，也將大大減少其內(nèi)部電子設(shè)備受到瞬態(tài)雷電電磁脈沖干擾的危險(xiǎn)。
3. 電源線和信號(hào)傳輸線的屏蔽。進(jìn)入信號(hào)樓內(nèi)的2 路AC380V/ 220V 電源線和信號(hào)傳輸線、通信及網(wǎng)絡(luò)線都應(yīng)采用有金屬屏蔽層的電纜。當(dāng)電源線采用架空線引入時(shí)，應(yīng)首先在進(jìn)入信號(hào)樓處穿鋼管屏蔽引入。再者，電纜屏蔽層阻擋電磁脈沖的能力，除了與屏蔽層的材料和網(wǎng)眼大小等有關(guān)外，還與屏蔽層的接地方式密切相關(guān)。如果屏蔽層僅一端接地，另一端懸浮，它只能防靜電感應(yīng)，防止不了磁場強(qiáng)度變化所感應(yīng)的電壓。因此，出于對(duì)防雷可靠性的考慮，當(dāng)?shù)皖l電磁干擾不嚴(yán)重時(shí)（ 如6502 電氣集中信號(hào)傳輸線），在需要保護(hù)的空間內(nèi)，屏蔽電纜應(yīng)至少在其兩端，尤其應(yīng)在室內(nèi)防雷區(qū)界面處的分線防雷柜做接地。當(dāng)?shù)皖l電磁干擾嚴(yán)重時(shí)（ 如ZPW2000 和UM71 移頻） 一般采用雙層屏蔽防雷電纜，并在兩端做好接地。
4. 電子設(shè)備屏蔽。經(jīng)計(jì)算分析和試驗(yàn)表明：一般鋼筋混凝土建筑物自然屏蔽體對(duì)雷電電磁脈沖的衰減作用是十分有限的。因此，凡是對(duì)電磁脈沖干擾敏感的微電子設(shè)備，特別是一些計(jì)算機(jī)信息處理設(shè)備都應(yīng)采用金屬層。信號(hào)樓內(nèi)智能電源屏、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、ZPW-2000 和微機(jī)監(jiān)測等微電子設(shè)備，除自身金屬箱屏蔽外，還應(yīng)將其置于屏蔽柜內(nèi)，并在屏蔽柜（屏）內(nèi)按S 型星型結(jié)構(gòu)或M 型網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，接至共用接地系統(tǒng)的等電位排。這樣，通過自然（ 人工）屏蔽網(wǎng)、屏蔽柜、屏蔽箱（盒）的三重屏蔽，以及電源線、信號(hào)傳輸線的屏蔽措施等，構(gòu)成一個(gè)完整的電磁屏蔽體系，實(shí)現(xiàn)了逐級(jí)全方位對(duì)電磁干擾的衰減。
2. 4 等電位接地等電位連接指信號(hào)樓內(nèi)所有金屬物（ 混凝土內(nèi)的鋼筋、自來水管、煤氣管及其他金屬管道、機(jī)器基礎(chǔ)金屬物及其埋地金屬物）、電纜金屬屏蔽層、電力系統(tǒng)的中性線和設(shè)備柜、箱金屬屏蔽體、電源線、信號(hào)傳輸線、網(wǎng)絡(luò)線的SPD 接地等，應(yīng)一律用電氣連通的方法連接，使整個(gè)信號(hào)樓成為一個(gè)良好的等電位體，為各級(jí)防雷保安器提供雷電過壓泄流通道，建立各分區(qū)電磁屏蔽層。電源線、信號(hào)傳輸線、金屬管道通過浪涌保安器SPD 或直接用導(dǎo)線進(jìn)行等電位連接。各內(nèi)層防護(hù)區(qū)的界面依次進(jìn)行局部等電位連接，各局部等電位接地排與總等電位排連接。
2. 5 分區(qū)、分級(jí)、分設(shè)備SPD 防護(hù)根據(jù)信號(hào)樓各部分空間雷電電磁脈沖（LPMP）的嚴(yán)重程度，將信號(hào)樓需防護(hù)的空間由表及里劃分為3 個(gè)不同的防雷區(qū)（ LPZ1、LPZ2、LPZ3），在防雷區(qū)交界面上設(shè)界面SPD 防護(hù)。信號(hào)機(jī)械室防雷區(qū)劃分示意圖見圖2。
第1 級(jí)SPD 設(shè)在進(jìn)入信號(hào)界面處，在電力電纜引入口防雷箱SPD 處做粗級(jí)保護(hù)，在信號(hào)傳輸線電纜引入室內(nèi)分線防雷柜處做細(xì)級(jí)保護(hù)，以便承受高電壓、大電流并能快速泄流；第2 級(jí)SPD 用來降低殘壓；第3 級(jí)為被保護(hù)對(duì)象內(nèi)設(shè)備級(jí)的SPD。根據(jù)沿線車站雷暴日和信號(hào)設(shè)備特點(diǎn)，對(duì)多雷區(qū)車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、區(qū)間ZPW-2000 或UM71 等電子設(shè)備信號(hào)樓內(nèi)2 路供電電源進(jìn)行粗、中、細(xì)3 級(jí)雷電防護(hù)；對(duì)中雷區(qū)設(shè)1 級(jí)全模保護(hù)和設(shè)備終端細(xì)保護(hù)（電源防雷插座） 的2 級(jí)保護(hù)。根據(jù)信號(hào)傳輸線的重要性和使用電子器材特性的不同，確定鐵路信號(hào)傳輸線雷電防護(hù)等級(jí)：軌道電路為B級(jí)兩級(jí)防護(hù)（LPZ1和設(shè)備終端），道岔、信號(hào)機(jī)為C 級(jí)1 級(jí)防護(hù)（只做LPZ1電力電纜和通信電纜的屏蔽層或金屬外護(hù)套與一樓總等電位接地排連接，電力電纜和通信電纜金屬芯線通過防雷保安器與等電位接地排連接）。
2. 6 信號(hào)分線防雷柜與合理布線
設(shè)計(jì)分線防雷柜解決合理布線問題。柜內(nèi)設(shè)總等電位接地排，進(jìn)行電纜屏蔽及傳輸線入口界面SPD 防護(hù)。電纜進(jìn)線（ 未凈化線） 與塑料線（ 凈化線） 分設(shè)，信號(hào)電源軟線、移頻屏蔽線與弱信號(hào)條件線、網(wǎng)絡(luò)線分設(shè)。
