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論高速公路防雷技術的重要性

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摘要:雷電是一種極為宏偉壯觀的自然現象,是一門古老而富有神秘色彩的科學。雷電孕育了地球的生命,又促進了地球上的文明,功莫大焉。但是,雷電的巨大破壞力,又給人類社會帶來慘重的災難,隨著現代化科技飛速發展,鐵路信號設備電子化程度大幅提高,雷擊放電誘發的電磁脈沖過電壓和過電流會經過信號傳輸通道及電源系統損壞鐵路信號設備,如何保證高速鐵路在雷雨季節安全高效的運行已刻不容緩。

關鍵詞:雷擊;鐵路信號;損壞;安全
1雷電電磁脈沖侵入設備主要途徑
1.1雷電電磁脈沖直接感應進入信號設備
1.1.1設備的等效磁場天線
(1)無論是模擬電路、數字電路、I0等信號環路,還是電源供電環路,設備中每個電路都等效為一個磁場天線。
(2)電磁場通過孔縫穿過金屬屏蔽機箱
1.1.2設備的等效電場天線
(1股備的等效電場天線一極往往是機箱,另一極是連接電纜中的地線。(2)地阻抗上有干擾電壓。(3)沖電磁場在線-線之間產生差模過電流,在負載上引起干擾,這是差模干擾(橫向)。(4脈沖電磁場在線-地之間產生共模過電流(縱向),在負載上產生差模電壓,引起干擾,這是共模地環路干擾。
1.1.3由交流220V電源供電線路侵入
目前,高壓輸電線大部分為架空線路。架空高壓電力線路架設高度高,線路路徑長,因此遭受到直擊雷和感應雷的概率較大。直擊雷擊中高壓電力線后在高壓電力線上傳輸,經高壓變壓器的電容,耦合至220V低壓電,侵入供電設備。另外,低壓電力線上也可能被直擊雷擊中或被感應出雷過電壓。
1.1.4由通信線或數據線侵入
(1)架空線路(包括戶外鋪設的雙絞線和多芯電纜同軸電纜繪會遭受直接雷擊,侵入架空線路的雷過電壓和侵入埋地電纜的雷電過電壓一樣由侵入點向兩邊傳播,雷電電磁脈沖傳導至計算機設備。(2)線路旁有高大建筑或者大樹及避雷針等遭受直擊雷時,強大的雷過電壓將把附近土壤擊穿,雷電流直接透過電纜侵入電纜芯線。雷電流在電纜外層流動也會在芯線上感應出過電壓。
1.5地電位反擊
(1)雷擊時強大的雷電流經過引下線和接地裝置導入大地,這時接地裝置周圍土壤會形成喇叭狀電位分布。(2)號設備的接地裝置和避雷針接地裝置靠近時,大地的高電位便可通過相關聯的地線或者電源線路形成電位差,造成地電位反擊,以損壞設備。3地電位反擊時,侵入設備的雷電過電壓較高,達到數萬伏,且波形陡峭,危害性較大。由于設備的各電路板都和設備?;さ鼗蜆ぷ韉叵喙亓?,地電位反擊引起的計算機設備損壞不僅僅是一塊芯片或電路板,后果十分嚴重。
2信號設備雷電防護和綜合接地技術
2.1抑制雷電干擾的原則
(1)雷電具有很大的能量,首先考慮避免雷擊,或者以適當的方式安全釋放雷電的能量,以保障人身安全和設備不被燒毀。(2)雷電脈沖包含高頻成份,即使能量被抑制在安全線以下的雷電波侵入設備,仍有可能對電路產生干擾,因此應對設備進行良好的電磁兼容設計。3)信號系統應針對雷電的侵入途徑,利用屏蔽濾波和接地的原理進行設計。(4)按防護范圍有兩類防護措施:外部防護和內部防護。外部防護:指對安裝信號設備的建筑物采取避雷針、分流、屏蔽網、均衡電位、接地等方式安全防護安裝信號設備的建筑物。內部防護:指采用等電位連接、屏蔽、?;じ衾?、合理布線、使用浪涌?;て韉卻朧┓闌そㄖ錟誆啃藕派璞腹繆?雷電或電源系統內部過電壓)(5庥采取外界措施防雷擊傷害時,還需提高鐵路信號設備本身對浪灝雷擊)抵抗能力,形成一個完整的浪涌防護綜合體系。
2.2信號設備防雷電措施
2.2.1直擊雷的防護
直擊雷防護可以采用避雷針和避雷線,且應良好接地,接地電阻越小越好。
2.2.2法拉第籠
(1)建筑物頂部鋪設金屬網,并和建筑物內部的鋼筋結構連成整體構成法拉第籠。因籠體是一個等電位體,內部電勢差為零,電場為零,外殼接地可以隔絕籠體內外的電場和電磁波干擾。
(2)雷電流通過單引下線進入大地會產生脈沖電磁場,法拉第籠可以減輕脈沖電磁場侵入建筑物內部,引下線越多越對稱,效果越好。
2.2.3屏蔽室
屏蔽室(箱式機房)金屬外表層流過片狀雷電流導入大地,內部的脈沖電磁場大大減小,起到防直擊雷的作用。同時也可以起到防感應雷的作用,防止室外電磁場侵入室內。
2.2.4浪涌抑制器件
信號系統中的信號線、電源線上都可能由于感應雷的作用產生高壓脈沖,所以浪涌?;て鞅夭豢繕?。常見的浪涌抑制器件有氣體放電管、硅雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻和固態瞬變電壓抑制器。
2.3綜合接地技術
高速鐵路的特點是橋隧比例大、采用大量無砟軌道,導致鋼軌電流劇增、牽引回流分布改變,鋼軌電位升高,電磁耦合使附近金屬產生較高的感應電壓,威脅人身和設備安全。另外因電子設備增多,地線數量也大大增加,若單獨設置接地體,各接地體間的電位差也會對設備造成危害。而綜合接地采用等電位連接方式,在鐵路沿線鋪設貫通地線,將所有設備的接地網連接在一起,形成面積非常大的綜合接地體,來增加接地效果、確保人身和設備安全。
3信號防雷及電磁兼容綜合設計
3.1防護方法
防雷是一個很復雜的問題,不可能依靠一、二種先進的防雷設備和防雷措施就能完全消除雷擊過電壓和感應過電壓的影響,必須針對雷害入侵途徑,對各類可能產生雷擊的因素進行排除,采用綜合防護的方法屏蔽、濾波、接地,才能將雷害降低到最小程度。
(1)通過屏蔽、等電位設置及合理布線,改善設備電磁環境。(2)分區分級設置防雷?;て?。(3)良好接地措施。
3.2實施方法
(1)信號樓外部防雷:避雷針、避雷網、避雷帶。(2)地網建設:接地電阻。(3)川算機房的屏蔽建設:整體屏蔽。(4)厔室內設備防雷接地和等電位連接:接地匯流線(5)電源系統防雷:防雷?;て?(6)信號傳輸線防雷配置:分線盤處安裝信號防雷?;て?。(7)慣通地線:與通信鐵塔接地。
參考文獻:
【1】付茂金,阮小飛,王州龍,李永毅,邱傳睿.高速鐵路通信信號綜合防雷技術【M】.科學出版社,2014.
【2】陳建譯,邱傳睿,鐵路通信信號防雷技術與應用【M】.中國鐵道岀版,2016.

(作者單位:中國鐵路上海局集團有限公司上海高鐵維修段)
作者簡介:劉洋(1990~),男。

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