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论高速公路防雷技术的重要性

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摘要:雷电是一种极为宏伟壮观的自然现象,是一门古老而富有神秘色彩的科学。雷电孕育了地球的生命,又促进了地球上的文明,功莫大焉。但是,雷电的巨大破坏力,又给人类社会带来惨重的灾难,随着现代化科技飞速发展,铁路信号设备电子化程度大幅提高,雷击放电诱发的电磁脉冲过电压和过电流会经过信号传输通道及电源系统损坏铁路信号设备,如何保证高速铁路在雷雨季节安全高效的运行已刻不容缓。

关键词:雷击;铁路信号;损坏;安全
1雷电电磁脉冲侵入设备主要途径
1.1雷电电磁脉冲直接感应进入信号设备
1.1.1设备的等效磁场天线
(1)无论是模拟电路、数字电路、I0等信号环路,还是电源供电环路,设备中每个电路都等效为一个磁场天线。
(2)电磁场通过孔缝穿过金属屏蔽机箱
1.1.2设备的等效电场天线
(1股备的等效电场天线一极往往是机箱,另一极是连接电缆中的地线。(2)地阻抗上有干扰电压。(3)冲电磁场在线-线之间产生差模过电流,在负载上引起干扰,这是差模干扰(横向)。(4脉冲电磁场在线-地之间产生共模过电流(纵向),在负载上产生差模电压,引起干扰,这是共模地环路干扰。
1.1.3由交流220V电源供电线路侵入
目前,高压输电线大部分为架空线路。架空高压电力线路架设高度高,线路路径长,因此遭受到直击雷和感应雷的概率较大。直击雷击中高压电力线后在高压电力线上传输,经高压变压器的电容,耦合至220V低压电,侵入供电设备。另外,低压电力线上也可能被直击雷击中或被感应出雷过电压。
1.1.4由通信线或数据线侵入
(1)架空线路(包括户外铺设的双绞线和多芯电缆同轴电缆绘会遭受直接雷击,侵入架空线路的雷过电压和侵入埋地电缆的雷电过电压一样由侵入点向两边传播,雷电电磁脉冲传导至计算机设备。(2)线路旁有高大建筑或者大树及避雷针等遭受直击雷时,强大的雷过电压将把附近土壤击穿,雷电流直接透过电缆侵入电缆芯线。雷电流在电缆外层流动也会在芯线上感应出过电压。
1.5地电位反击
(1)雷击时强大的雷电流经过引下线和接地装置导入大地,这时接地装置周围土壤会形成喇叭状电位分布。(2)号设备的接地装置和避雷针接地装置靠近时,大地的高电位便可通过相关联的地线或者电源线路形成电位差,造成地电位反击,以损坏设备。3地电位反击时,侵入设备的雷电过电压较高,达到数万伏,且波形陡峭,危害性较大。由于设备的各电路板都和设备保护地或工作地相关联,地电位反击引起的计算机设备损坏不仅仅是一块芯片或电路板,后果十分严重。
2信号设备雷电防护和综合接地技术
2.1抑制雷电干扰的原则
(1)雷电具有很大的能量,首先考虑避免雷击,或者以适当的方式安全释放雷电的能量,以保障人身安全和设备不被烧毁。(2)雷电脉冲包含高频成份,即使能量被抑制在安全线以下的雷电波侵入设备,仍有可能对电路产生干扰,因此应对设备进行良好的电磁兼容设计。3)信号系统应针对雷电的侵入途径,利用屏蔽滤波和接地的原理进行设计。(4)按防护范围有两类防护措施:外部防护和内部防护。外部防护:指对安装信号设备的建筑物采取避雷针、分流、屏蔽网、均衡电位、接地等方式安全防护安装信号设备的建筑物。内部防护:指采用等电位连接、屏蔽、保护隔离、合理布线、使用浪涌保护器等措施防护建筑物内部信号设备过电压(雷电或电源系统内部过电压)(5庥采取外界措施防雷击伤害时,还需提高铁路信号设备本身对浪灝雷击)抵抗能力,形成一个完整的浪涌防护综合体系。
2.2信号设备防雷电措施
2.2.1直击雷的防护
直击雷防护可以采用避雷针和避雷线,且应良好接地,接地电阻越小越好。
2.2.2法拉第笼
(1)建筑物顶部铺设金属网,并和建筑物内部的钢筋结构连成整体构成法拉第笼。因笼体是一个等电位体,内部电势差为零,电场为零,外壳接地可以隔绝笼体内外的电场和电磁波干扰。
(2)雷电流通过单引下线进入大地会产生脉冲电磁场,法拉第笼可以减轻脉冲电磁场侵入建筑物内部,引下线越多越对称,效果越好。
2.2.3屏蔽室
屏蔽室(箱式机房)金属外表层流过片状雷电流导入大地,内部的脉冲电磁场大大减小,起到防直击雷的作用。同时也可以起到防感应雷的作用,防止室外电磁场侵入室内。
2.2.4浪涌抑制器件
信号系统中的信号线、电源线上都可能由于感应雷的作用产生高压脉冲,所以浪涌保护器必不可少。常见的浪涌抑制器件有气体放电管、硅雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻和固态瞬变电压抑制器。
2.3综合接地技术
高速铁路的特点是桥隧比例大、采用大量无砟轨道,导致钢轨电流剧增、牵引回流分布改变,钢轨电位升高,电磁耦合使附近金属产生较高的感应电压,威胁人身和设备安全。另外因电子设备增多,地线数量也大大增加,若单独设置接地体,各接地体间的电位差也会对设备造成危害。而综合接地采用等电位连接方式,在铁路沿线铺设贯通地线,将所有设备的接地网连接在一起,形成面积非常大的综合接地体,来增加接地效果、确保人身和设备安全。
3信号防雷及电磁兼容综合设计
3.1防护方法
防雷是一个很复杂的问题,不可能依靠一、二种先进的防雷设备和防雷措施就能完全消除雷击过电压和感应过电压的影响,必须针对雷害入侵途径,对各类可能产生雷击的因素进行排除,采用综合防护的方法屏蔽、滤波、接地,才能将雷害降低到最小程度。
(1)通过屏蔽、等电位设置及合理布线,改善设备电磁环境。(2)分区分级设置防雷保护器。(3)良好接地措施。
3.2实施方法
(1)信号楼外部防雷:避雷针、避雷网、避雷带。(2)地网建设:接地电阻。(3)川算机房的屏蔽建设:整体屏蔽。(4)厔室内设备防雷接地和等电位连接:接地汇流线(5)电源系统防雷:防雷保护器.(6)信号传输线防雷配置:分线盘处安装信号防雷保护器。(7)惯通地线:与通信铁塔接地。
参考文献:
【1】付茂金,阮小飞,王州龙,李永毅,邱传睿.高速铁路通信信号综合防雷技术【M】.科学出版社,2014.
【2】陈建译,邱传睿,铁路通信信号防雷技术与应用【M】.中国铁道岀版,2016.

(作者单位:中国铁路上海局集团有限公司上海高铁维修段)
作者简介:刘洋(1990~),男。

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