兗州礦業(yè)集團鐵運處 樓向東
隨著現(xiàn)代化的進展，鐵路站內(nèi)設(shè)備越來越先進。雷擊發(fā)生時，雷擊放電誘發(fā)雷擊電磁脈沖過電壓和過電流，經(jīng)站場電源系統(tǒng)、通信信號傳輸通道、接地系統(tǒng)及建筑物直擊雷防護系統(tǒng)，通過傳導(dǎo)、感應(yīng)的方式損壞站內(nèi)通信信號設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，造成損失巨大，直接威脅鐵路正常的安全運輸生產(chǎn)。
一、對鐵路站場雷電防護的分析
鐵路站場設(shè)備遭受過電壓和過電流攻擊的途徑可分為直擊雷、感應(yīng)雷、傳導(dǎo)雷、操作過電壓四種。結(jié)合站場設(shè)備的分布特點及雷電攻擊的途徑類型，鐵路站場雷電防護存在以下特點。
1．鐵路站場占地面積較大，站場主要設(shè)備（如數(shù)字微波通信、車站數(shù)字通信分系統(tǒng)、站場廣播機、無線列調(diào)通信、平面調(diào)車通信、信號微機聯(lián)鎖等設(shè)備）集中在信號樓、通信樓。信號樓、通信樓的避雷針應(yīng)能滿足對整個信號樓、通信樓區(qū)域的保護，有效防止直擊雷的襲擊。
2．鐵路道軌是接受直擊雷和傳導(dǎo)雷感應(yīng)雷的良好導(dǎo)體。與道軌連接的相關(guān)鐵路信號設(shè)備，如信號機、軌道電路箱、道岔電動轉(zhuǎn)轍機等，將受到雷擊的嚴重威脅。
3．信號樓微機聯(lián)鎖及通信機房、通訊樓通訊機房等重要區(qū)域的戶外線路可能遭受到直擊雷后，線路中的大電流串入各機房內(nèi)部，從而引起對內(nèi)部設(shè)備的損壞。當雷雨云之間、雷雨云對大地之間放電時，雷閃電流的高頻電磁場對暴露在空間或室內(nèi)的電源線、信號線、數(shù)據(jù)線上產(chǎn)生遠遠超過設(shè)備抗電強度的感應(yīng)雷擊過電壓，使設(shè)備損壞。
4．雷電防護的原則是“等電位”。由于機房存在多類接地系統(tǒng)，其沖擊接地電阻不均衡，在雷擊發(fā)生時，雷電流引起地電位差，造成“地電位反擊”，使人員和設(shè)備遭受損害。
5．操作過電壓引起的危害，如儲藏設(shè)備的開關(guān)、輸電線路的短路、周圍大容量設(shè)備運行時產(chǎn)生的工業(yè)干擾或操作過電壓在電源線上會產(chǎn)生5000~6000V、3KA的浪涌過電壓及浪涌電流，它們的竄入也會將信號樓、通信樓內(nèi)的設(shè)備產(chǎn)生很大的破壞后果。
從以上分析中可以得出：為了提高鐵路站場建筑物安全及機房設(shè)備及計算機、通信網(wǎng)絡(luò)的運行可靠度，整個站場的雷電防護系統(tǒng)一定要有良好的避雷針、下引線和統(tǒng)一的接地網(wǎng)，采取完善的直擊雷防護措施。同時必須在車站的供電系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)、信號采集傳輸系統(tǒng)、程控交換系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、機房接地系統(tǒng)等進行可靠有效的防護，在攔截、分流、均衡、接地、布線、布局等方面作完整的，多層次的綜合防護。
基于以上分析，兗州礦業(yè)集團鐵運處選用了法國先進的法蘭西GUERET預(yù)放電型避雷針作為直擊雷防護避雷針，選用世界一流的德國OBOBETTERMANN系列電源及數(shù)據(jù)信號防雷器件，對主要機房設(shè)備和重要終端進行雷擊電磁脈沖防護。
二、設(shè)計參照標準
鐵路站場綜合防雷的設(shè)計主要執(zhí)行或參照以下標準：GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》2000年版、GA267-2000《計算機信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖安全防護規(guī)范》、GB7450—87《電子設(shè)備雷擊保護導(dǎo)則》、GB50174-93《電子計算機機房設(shè)計規(guī)范》、GB9361—88《計算站場地安全要求》等。鐵路站場雷電防護總的原則是經(jīng)等電位連接，使過電壓(或電流)以最直接的路徑盡快泄漏到大地，達到保護設(shè)備的目的。電磁兼容防護總的原則是利用室內(nèi)的金屬物有機地構(gòu)成一個“法拉第籠”，進行接地連接。站場綜合防雷設(shè)計本著安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理的原則，達到防御或減輕雷電災(zāi)害、提高防雷安全度的目的。
三、直擊雷防護
（一）避雷針
普通避雷針，通常即為一根鐵棒，將端部磨尖，通過接地引下線將地電位(通常認為零電位)引至針尖，利用針尖的高度(比被保護物高出許多)，比被保護物優(yōu)先產(chǎn)生上行先導(dǎo)，與雷云的下行先導(dǎo)相遇，從而達到引雷入地的效果，保護其它建筑物免受雷擊的侵害。
預(yù)放電型避雷針利用了雷云產(chǎn)生的空間電場強度，預(yù)先使周圍的空氣電離，空氣離子在空間電場的作用下加速接近雷云，從而使迎面先導(dǎo)大大提前與雷云的下行先導(dǎo)相遇，使得引雷的可靠性和半徑提高大大保護，增強了保護性能。
以高度為10m的第Ⅲ類防雷建筑物保護范圍用“滾球法”計算為例。
h（m）為避雷針的有效高度，即避雷針頭高出被保護建筑物的距離。
由上表可以看出，在同等高度下IF3預(yù)放電型避雷針比普通針的保護效率大大提高，即保護的可靠性大大提高。
預(yù)放電型避雷針為先進的純結(jié)構(gòu)型預(yù)放電避雷針。它利用雷云在空中感應(yīng)的電場強度，使針頭的感應(yīng)電極(空中場強)與針尖（地電位）之間產(chǎn)生強烈的火花放電，使針頭周圍空氣電離，在電場的作用下形成一條向上的雷電先導(dǎo)，從而使迎面先導(dǎo)提前與雷云的下行先導(dǎo)相遇，形成主放電通道，從而大大提高了避雷針的效率，使保護半徑大大提高。由于其內(nèi)部無任何電子元件，避免了老化問題，所以更加可靠，不需維護。此類避雷針比普通避雷針提前產(chǎn)生上行先導(dǎo)的時間稱為“預(yù)放電時間”，這是考核預(yù)放電型避雷針性能的重要指標，已列入法國等一些歐洲國家的國家標準。鐵運處所屬車站選用先進的法蘭西GUERETIF3預(yù)放電型避雷針作為直擊雷防護避雷針，對站場可能遭受直擊雷的重點區(qū)域?qū)嵤┲苯永椎姆雷o。該類避雷針的特點如下。
1．最快的搶先預(yù)放電時間86us，即優(yōu)先引雷入地，保護半徑大大增加，為目前國際上中搶先時間最快的預(yù)放電避雷針。
2．在相同的安裝高度下，比普通避雷針的保護半徑大十幾倍，大大提高了防護效率。
3．避雷針內(nèi)部無電子部件，更加安全，減少故障隱患，無老化，不需維護。
4．選用了世界最好的防腐316L不銹鋼材料，永不生銹。
5．重量很輕，何載小，對支撐物的荷載要求低。
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鐵路站場直擊雷防護重點區(qū)域是通信樓、信號樓和戶外岔群咽喉區(qū)設(shè)備。鐵路站場直擊雷防護避雷針布置如圖1所示。
圖1鐵路站場直擊雷防護避雷針布置圖
1．通信樓直擊雷防護。利用通信樓附近的高約45米微波塔，在塔頂上安裝IF3避雷針，避雷針安裝高度超出塔頂2.5米。經(jīng)計算，避雷針對地面的保護半徑可達119米。引下線采用截面大于12mm×4mm的鍍鋅扁鋼。防雷接地裝置接地電阻小于1歐。該避雷針可保護通信樓、部分鐵軌和場區(qū)部分咽喉區(qū)的部分信號機等鐵路設(shè)備，免受直擊雷的侵害。
2．信號樓直擊雷防護。利用被保護建筑物信號樓，高度約為10米，在信號樓頂部安裝IF3避雷針，針的安裝高度超出樓頂5米。經(jīng)計算，保護半徑可達109米。樓頂預(yù)埋350mm×350mm×10mm厚鋼板，便于焊接避雷針底座，從底座延相反方向焊接引出兩條引下線，引下線采用大于8mm的圓鋼沿樓外墻引下入地，與樓的接地環(huán)相連。防雷接地裝置接地電阻小于1歐。將避雷針與接地裝置貫通。保護信號樓及場區(qū)附近的鐵軌避免由于直擊雷擊中鐵軌雷電流竄入信號樓，對設(shè)備及人身安全造成危害。
3．戶外岔群咽喉區(qū)直擊雷防護。鐵路站場岔群咽喉區(qū)的特點是設(shè)備分布較為集中，岔群咽喉區(qū)段長度約145米，在岔群咽喉區(qū)附近各建立12米高的鐵塔，塔頂安裝IF3避雷針。經(jīng)計算，保護半徑可達111米。引下線采用截面大于12mm×4mm的鍍鋅扁鋼。防雷接地裝置接地電阻小于10歐。對咽喉區(qū)內(nèi)大部分的軌道電路箱、道叉電動轉(zhuǎn)轍機及信號機等設(shè)施進行了直擊雷的保護，免受直擊雷的侵害。
四、雷擊電磁脈沖防護
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選用世界一流的德國OBOBETTERMANN系列電源防雷器件，對鐵路站場主要機房設(shè)備和重要終端進行雷擊電磁脈沖防護。它具有以下特點。
1．應(yīng)用新型高能量密度的石墨電極材料，特性耐久不變。
2．采用多電極堆保證了可控制的能量分配，并聯(lián)電容控制對模塊達到低殘壓水平，通過這種設(shè)計，具有良好的續(xù)斷遮斷，達到對續(xù)流的完全熄滅。
3．密封設(shè)計，安裝方式?jīng)]有限制，無電弧外泄，無須使用大體積的隔離金屬箱。
4．無須斷電，所有模塊都可取下檢測和更換，可大量節(jié)約維護費用。
5．安裝簡單，支持凱文接線，N/PE端的隧道式連接，免除調(diào)線的繁瑣。
6．容通電流大，反應(yīng)速度快，插入損耗小。
7．采用NPE模塊的防雷器可在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，即使地阻值高或地線不良的情況下，流經(jīng)防雷器的電流可使前級保險絲脫逃，防雷器與電網(wǎng)隔離，防止防雷器損壞。
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1．對纜線布放和接地系統(tǒng)的要求
鐵路站場主要設(shè)備集中在信號樓、通信樓。雷擊電磁脈沖防護的重點是信號樓和通信樓內(nèi)的敏感電子設(shè)備。在進行電源和信號線防雷器配置時，根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求，應(yīng)從以下幾個方面進行設(shè)計考慮。
�。�1）電力電纜應(yīng)埋地引入建筑物，電纜埋地部分不應(yīng)小于15米(GA267-2000第7、第8條)。室外衛(wèi)星饋線和其它各種通信、信號電纜應(yīng)采用具有雙層金屬防護層的電纜，其外層金屬防護層在頂部及進入機房入口處的外側(cè)應(yīng)就近接地。當采用單層屏蔽電纜或無屏蔽線纜時，應(yīng)穿金屬管或金屬線槽引入建筑物內(nèi)，金屬管(或線槽)的兩端就近接地，金屬管(或線槽)的連接處應(yīng)有效跨接(GB50057-94第6.3.1條)。
因此，出入信號樓、通信樓的電力電纜(線)、通信纜線、信號電纜應(yīng)采用金屬護套電纜或敷設(shè)在金屬管內(nèi)，纜線金屬護套或金屬管應(yīng)在頂部及進入機房入口處的外側(cè)就近分別接地；進入信號樓、通信樓低壓電力電纜宜全程埋地引入，其電纜埋地長度不應(yīng)小于15m；微波鐵塔上架設(shè)的同軸電纜應(yīng)穿在金屬管內(nèi)，金屬管應(yīng)分別在上下端接地；進入機房的電纜橋架應(yīng)屏蔽接地。
�。�2）信號樓、通信樓應(yīng)采用共用接地系統(tǒng)(GB5005794第6.3.3條)。因此，一棟樓內(nèi)的電子設(shè)備應(yīng)共用一組接地裝置，應(yīng)按均壓、等電位的原理，將工作地、保護地和防雷地組成一個聯(lián)合接地網(wǎng)。站內(nèi)各類接地線應(yīng)從接地匯集線或接地網(wǎng)上分別引入。通信樓的接地裝置應(yīng)按照YD5068—98(移動通信基站防雷與接地設(shè)計規(guī)范)的要求予以改造。
2．信號樓雷擊電磁脈沖防護
信號樓主要包括微機聯(lián)鎖設(shè)備、無線列調(diào)及平面調(diào)車車站電臺、計算機服務(wù)器、站場廣播機及車站數(shù)字通信分系統(tǒng)等設(shè)備。
針對信號樓電源線分兩路架空引入，供電方式為TT制式。在總配電箱安裝兩套OBO3*MC50-B+l*MCl25B第一級電源防雷箱，在交直流配電屏電源入線端加兩套V20-C／3+NPE電源防雷器及在車站綜合柜入線端安裝一套V20-C／I+NPE電源防雷器為第二級電源防雷器。需要注意的是第一級與第二級防雷器之間的線路應(yīng)保持5m以上的距離。無線列調(diào)及平面調(diào)車車站設(shè)備，在天饋線進入調(diào)度機房入口與設(shè)備聯(lián)接處安裝DS-N饋線防雷器，注意設(shè)備機殼及防雷器地線良好接地。防雷器前端均串接20A動力型空氣開關(guān)。
戶外信號機、道岔、軌道電路與室內(nèi)相連的信號線，是重要的引雷路徑，需根據(jù)每一根信號線上電壓的不同相應(yīng)安裝防雷器，分別選擇V20-C系列防雷器進行防護：對于交流和直流220伏信號線采用V20-C／4+NPE電源防雷器進行防護；對于交直流10~24V信號線采用V20-C／1~75V進行防護；防雷器前端均串接20A動力型空氣開關(guān)。
由于信號設(shè)備的保護地與工作地嚴格分開，雷擊發(fā)生時，兩個地線系統(tǒng)可能出現(xiàn)瞬間電壓差，造成電子設(shè)備及人身的損壞和傷害。為了達到有效的防雷保護，在兩個地之間安裝OBO地極保護器480。其特點是：正常工作狀態(tài)下，兩地相互無干擾；雷擊狀態(tài)下，480迅速導(dǎo)通，兩地電壓均衡，消除反擊電壓；響應(yīng)時間小，納秒級導(dǎo)通；安裝方便，直接連接于兩接地匯流排之間。
3．通信樓雷擊電磁脈沖防護
針對通信樓電源分兩路架空引入，引雷幾率較大，低壓電纜應(yīng)地埋15m以上引入通信樓，在主配電箱安裝兩套3*MC50-B+1*MCl25-B第一級電源防雷箱。在數(shù)字微波入線端第二級電源防雷器V20-C／I+NPE。由室外引入的微波收發(fā)饋線均安裝DS-N饋線防雷器。在電纜充氣設(shè)備電源入線端安裝第二級電源防雷器V20-C／I+NPE。在機房內(nèi)安裝等電位連接排4801，機房內(nèi)所有設(shè)備的機殼及防雷器接地線都連接至等電位連接排上。所有設(shè)備的機殼均可靠接地，所有接地線共用一組接地裝置。接地電阻為1歐姆以下。防雷器前端均串接20A動力型空氣開關(guān)。
五、應(yīng)用效果
通過2002年對常營車站、孟樓車站鐵路站場應(yīng)用該綜合防雷方案，站場通信、信號設(shè)備雷電防護效果可靠，確保了站場設(shè)備運用安全、聯(lián)絡(luò)控制不中斷。特別是2003年華東地區(qū)雷雨多發(fā)，暴雨聯(lián)連，未對鐵路站場設(shè)備造成任何損壞。實現(xiàn)了安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理的原則，達到了防御或減輕雷電災(zāi)害、提高防雷安全度的目的，鐵路安全運輸生產(chǎn)上了一個新臺階。
