铁路信号楼综合防雷系统方案设计


       随着铁路跨越式发展战略的全面实施,大批微电子化、智能化、网络化信号设备上道,对信号系统的防雷提出了更高要求。因此,有必要对铁路信号防雷进行系统设计,利用现代雷电防护理论,采用屏蔽、共用接地、等电位连接、合理布线和设置防雷保安器等综合防护技术,对信号设备进行分区、分级、分设备的系统防雷保护,减少雷电电磁脉冲影响,延长设备使用寿命,提高设备可靠性。


1 铁路信号设备防雷现状 

       研究表明:雷电电磁脉冲干扰是造成信号设备损坏和寿命减少的主要因素。2004 年1 ~ 9 月,郑州铁路局管内发生因雷害造成的信号故障21 件,延时33h55min,平均延时1h37min,分别占信号故障总件数和总延时的13. 5% 和18. 6%,对信号设备的正常使用和运输秩序造成了严重影响。


1. 1 电磁环境恶劣 

       我国铁路大部分编组站和车站都处于远离城市中心的雷电暴露环境下,信号楼附近往往伴有无线列调天线塔、大型灯光桥、大型吊机等易引雷的高大建筑物,而且在进行设备技术改造时,建筑物防雷改造大多未同步进行。信号系统设备都大量、长距离地连接室外信息采集对象和控制对象,其中轨道电路又是长距离、大面积暴露地面,且又是电力机车牵引电流(27. 5kV/ 600A)的通道,牵引电网的瞬态过压防护,通过SPD( 防雷保安器) 接至钢轨一侧泄入大地,造成对轨道电路不平衡,极易遭受雷击和瞬态过电压侵害。电磁环境除雷电电磁脉冲外,还有来自电化区段牵引线路高电压、大电流影响,电力机车升降弓时的电弧辐射磁场影响,通信信号的无线列调频率、移频频率辐射干扰,设备电气开关电路动作引起的浪涌过电压、过电流电磁脉冲干扰等。此外电源线、信号传输线交混布线时的交叉干扰,净化线和未净化线混在一起相互交叉等,也给防护增加了困难。


1. 2 雷电防护单一 

       过去信号设备一般采用在设备处设一级SPD防雷,防雷器材质量不高,对电磁环境、综合布线设计要求不严,在执行“GB50343-2004 建筑物电子信息系统防雷技术规范”、“GB / T50311-2000 建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范”、“ TB /T3074-2003 铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件”等方面还存在差距。


1. 3 接地系统繁多 

       由于铁路信号技术规范均要求各种接地分设,且相隔20m 以上,但受沿线地形限制,往往难以满足要求。一个车站信号楼内常常有许多不同的接地线,致使雷电反击现象严重。


2 信号楼综合防雷系统方案设计


2. 1 铁路信号设备危险评估和雷电防护等级 

       根据铁路信号设备雷电电磁环境特点,按照GB50343-2004、TB / T3074-2003 规定, 参照英国BS6651 对设备雷电防护危险评估办法,铁路信号楼电子信息系统雷电防护等级应为B 级( 二类),需要进行直击雷、感应雷的防护。


2. 2 信号楼综合防雷系统 

       所谓综合防雷系统是面向EMC( 电磁兼容),包括外部防雷(防直击雷)、内部防雷(防雷电电磁脉冲),采用屏蔽、共地、等电位连接、分区分级分设备的SPD 保护及合理布线等的综合技术。


2. 3 构筑完整的三重屏蔽体系 

       在信号楼内,由于信息系统中各电子设备的重要性不同,所处的电磁环境不同,对其采取的屏蔽措施就有差别。目前采取的基本屏蔽措施有信号楼的自然屏蔽、信息系统的电源线和信号传输线电缆屏蔽,以及电子设备机柜、机箱金属壳体屏蔽等。 

       1. 建筑物笼式避雷网的自然屏蔽。它主要利用建筑物钢筋混凝土结构中的钢筋构成笼式避雷网,将整座建筑物罩住,可以全方位地保护被罩住的建筑顶部、侧面。对置于其中的电子系统,它相当于一个“ 屏蔽间”,具有对电磁干扰的屏蔽作用。另外对雷击产生的瞬态电位升高起到均衡作用,使笼网各部位的瞬态对地悬浮电位均衡到大致相等的水平。 

       2. 信号楼人工笼式避雷网屏蔽。由人工避雷网( 带)、引下线、环形接地装置构成信号楼人工避雷网的屏蔽防雷系统,也将大大减少其内部电子设备受到瞬态雷电电磁脉冲干扰的危险。 

       3. 电源线和信号传输线的屏蔽。进入信号楼内的2 路AC380V/ 220V 电源线和信号传输线、通信及网络线都应采用有金属屏蔽层的电缆。当电源线采用架空线引入时,应首先在进入信号楼处穿钢管屏蔽引入。再者,电缆屏蔽层阻挡电磁脉冲的能力,除了与屏蔽层的材料和网眼大小等有关外,还与屏蔽层的接地方式密切相关。如果屏蔽层仅一端接地,另一端悬浮,它只能防静电感应,防止不了磁场强度变化所感应的电压。因此,出于对防雷可靠性的考虑,当低频电磁干扰不严重时( 如6502 电气集中信号传输线),在需要保护的空间内,屏蔽电缆应至少在其两端,尤其应在室内防雷区界面处的分线防雷柜做接地。当低频电磁干扰严重时( 如ZPW2000 和UM71 移频) 一般采用双层屏蔽防雷电缆,并在两端做好接地。 

       4. 电子设备屏蔽。经计算分析和试验表明:一般钢筋混凝土建筑物自然屏蔽体对雷电电磁脉冲的衰减作用是十分有限的。因此,凡是对电磁脉冲干扰敏感的微电子设备,特别是一些计算机信息处理设备都应采用金属层。信号楼内智能电源屏、计算机联锁、ZPW-2000 和微机监测等微电子设备,除自身金属箱屏蔽外,还应将其置于屏蔽柜内,并在屏蔽柜(屏)内按S 型星型结构或M 型网型结构,接至共用接地系统的等电位排。这样,通过自然( 人工)屏蔽网、屏蔽柜、屏蔽箱(盒)的三重屏蔽,以及电源线、信号传输线的屏蔽措施等,构成一个完整的电磁屏蔽体系,实现了逐级全方位对电磁干扰的衰减。 

       2. 4 等电位接地等电位连接指信号楼内所有金属物( 混凝土内的钢筋、自来水管、煤气管及其他金属管道、机器基础金属物及其埋地金属物)、电缆金属屏蔽层、电力系统的中性线和设备柜、箱金属屏蔽体、电源线、信号传输线、网络线的SPD 接地等,应一律用电气连通的方法连接,使整个信号楼成为一个良好的等电位体,为各级防雷保安器提供雷电过压泄流通道,建立各分区电磁屏蔽层。电源线、信号传输线、金属管道通过浪涌保安器SPD 或直接用导线进行等电位连接。各内层防护区的界面依次进行局部等电位连接,各局部等电位接地排与总等电位排连接。 

       2. 5 分区、分级、分设备SPD 防护根据信号楼各部分空间雷电电磁脉冲(LPMP)的严重程度,将信号楼需防护的空间由表及里划分为3 个不同的防雷区( LPZ1、LPZ2、LPZ3),在防雷区交界面上设界面SPD 防护。信号机械室防雷区划分示意图见图2。 

       第1 级SPD 设在进入信号界面处,在电力电缆引入口防雷箱SPD 处做粗级保护,在信号传输线电缆引入室内分线防雷柜处做细级保护,以便承受高电压、大电流并能快速泄流;第2 级SPD 用来降低残压;第3 级为被保护对象内设备级的SPD。根据沿线车站雷暴日和信号设备特点,对多雷区车站计算机联锁、区间ZPW-2000 或UM71 等电子设备信号楼内2 路供电电源进行粗、中、细3 级雷电防护;对中雷区设1 级全模保护和设备终端细保护(电源防雷插座) 的2 级保护。根据信号传输线的重要性和使用电子器材特性的不同,确定铁路信号传输线雷电防护等级:轨道电路为B级两级防护(LPZ1和设备终端),道岔、信号机为C 级1 级防护(只做LPZ1电力电缆和通信电缆的屏蔽层或金属外护套与一楼总等电位接地排连接,电力电缆和通信电缆金属芯线通过防雷保安器与等电位接地排连接)。


2. 6 信号分线防雷柜与合理布线 

       设计分线防雷柜解决合理布线问题。柜内设总等电位接地排,进行电缆屏蔽及传输线入口界面SPD 防护。电缆进线( 未净化线) 与塑料线( 净化线) 分设,信号电源软线、移频屏蔽线与弱信号条件线、网络线分设。

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