鐵路站房及沿線建筑綜合防雷

朱光熙

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251）

隨著我國高速鐵路系統(tǒng)的發(fā)展，高速鐵路安全性越發(fā)引人關(guān)注。在過去的幾年中，在高速鐵路的研發(fā)和實(shí)踐中出現(xiàn)了一些由于自然災(zāi)害導(dǎo)致對(duì)于高速鐵路安全的危害和隱患。

雷電對(duì)于鐵路系統(tǒng)的危害由來已久，相關(guān)部門也將減少雷害對(duì)于鐵路系統(tǒng)破壞的研究貫徹始終。在有關(guān)部門對(duì)于2002年至2005年的鐵路系統(tǒng)雷害監(jiān)測(cè)中，共記錄了接近1 700起雷害事故。在充分分析這段時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之后，鐵路系統(tǒng)投入大量的人力物力財(cái)力，進(jìn)行了為期3年的綜合防雷整治，取得了很好的效果。在此之后，鐵道部建立起一套鐵路綜合防雷的研究系統(tǒng)，致力于更進(jìn)一步減少雷電這種自然災(zāi)害對(duì)于鐵路系統(tǒng)，尤其是高速鐵路系統(tǒng)的危害。

1 基本雷電防護(hù)知識(shí)

1.1 雷電原理

雷電由雷云產(chǎn)生，最常見的雷云有熱雷云和鋒面雷云。雷電是由雷云（帶電的云層）對(duì)地面建筑物及大地的自然放電引起的，它會(huì)對(duì)建筑物或設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。在天氣悶熱潮濕時(shí)，地面上的水受熱變?yōu)檎羝⑶译S地面的受熱空氣而上升，在空中與冷空氣相遇，使上升的水蒸汽凝結(jié)成小水滴，形成積云。云中水滴受強(qiáng)烈氣流吹襲，分裂為一些小水滴和大水滴，較大的水滴帶正電荷，小水滴帶負(fù)電荷。細(xì)微的水滴隨風(fēng)聚集形成了帶負(fù)電的雷云；帶正電的較大水滴常常向地面降落而形成雨，或懸浮在空中。由于靜電感應(yīng)，帶負(fù)電的雷云，在大地表面感應(yīng)有正電荷。這樣雷云與大地間形成了一個(gè)大的電容器。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度很大，超過大氣的擊穿強(qiáng)度時(shí)，即發(fā)生了雷云與大地間的放電，就是一般所說的雷擊?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使電子設(shè)備的防雷要求有了空前的提升，由于微電子設(shè)備的耐過電壓能力低，因此對(duì)于雷電災(zāi)害的影響也更加明顯，所需要的防護(hù)措施要求也就更加嚴(yán)格。

1.2 雷電的類型和危害

常見的雷擊有3種主要方式：球形雷、感應(yīng)雷和直擊雷，如表1所示。直擊雷簡(jiǎn)單來說就是雷電直接對(duì)大地的某一個(gè)點(diǎn)放電；感應(yīng)雷發(fā)生在直擊雷之后，由于云層帶電驟然消失，而地面的一定范圍內(nèi)電阻阻值偏大，出現(xiàn)這個(gè)范圍內(nèi)的高電壓，或是直擊雷與擊打部位附近的金屬體所產(chǎn)生電磁感應(yīng)所導(dǎo)致的二次雷擊；球形雷極少出現(xiàn)，但是一旦出現(xiàn)，就會(huì)造成非常大的危害，不止毀壞電子設(shè)備，而且大部分球形雷都會(huì)通過電子線路進(jìn)入建筑物內(nèi)部，擊傷或燒傷建筑物內(nèi)人員，造成重大的人員財(cái)產(chǎn)損失。

雷電的危害主要體現(xiàn)在3個(gè)方面，即電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)。雷電的瞬時(shí)過電壓可以達(dá)到數(shù)十萬至數(shù)百萬伏，這就決定瞬時(shí)沖擊電壓可以輕易地摧毀電路，擊穿絕緣，引發(fā)火災(zāi)或爆炸；由于瞬時(shí)過電壓過高，雖然作用時(shí)間短，但其產(chǎn)生的熱量驚人，雷擊點(diǎn)的熱量可達(dá)瞬時(shí)2 000 J，這也是重大雷擊導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸的主要原因之一；也是因?yàn)槔纂娏鬟^大，被擊穿物體內(nèi)部縫隙中的氣體或液體會(huì)因瞬時(shí)過電流而急劇膨脹，產(chǎn)生巨大沖擊力，這就是雷電的機(jī)械效應(yīng)。中國各主要城市雷暴天數(shù)如表1所示。

表1 中國各主要城市雷暴天數(shù)

2 雷電災(zāi)害采用的主要防護(hù)設(shè)備

通過了解雷電災(zāi)害的成因以及對(duì)電子設(shè)備的破壞原理，在近些年的研究中，已經(jīng)生產(chǎn)并應(yīng)用了多種防雷器件，通過這些防雷器件，可以在不同程度上減輕或消除雷電災(zāi)害對(duì)于電子設(shè)備的破壞。雖然人們根據(jù)不同的原理和方法研究出多種防雷設(shè)備，但是現(xiàn)階段還沒有找到一種可以完全解決雷電對(duì)鐵路系統(tǒng)中核心電子設(shè)備的破壞問題。

2.1 氣體放電管

氣體放電管如圖1所示，是一種最常用的防雷設(shè)備，這種設(shè)備的管體由陶瓷或玻璃制成，管體中空，密封短路性保護(hù)器件，并與其間隙沖入惰性氣體。

氣體放電管根據(jù)氣體在外界電場(chǎng)的作用下，隨外界電場(chǎng)的增強(qiáng)，當(dāng)極間的電場(chǎng)強(qiáng)度超過氣體的擊穿強(qiáng)度時(shí)，將產(chǎn)生氣體的放電現(xiàn)象，使原來為絕緣的氣體驟變?yōu)閷?dǎo)電體（絕緣擊穿），從而限制了極間的電壓，使與放電管并聯(lián)的其他器件得到保護(hù)。氣體放電管常用于多級(jí)保護(hù)電路中的第一級(jí)或前兩級(jí)，起泄放雷電暫態(tài)過電流和限制過電壓的作用。

氣體放電管的優(yōu)點(diǎn)是絕緣電阻很大，而寄生電容很小。同時(shí)，其缺點(diǎn)也同樣明顯，即放電時(shí)延較大，動(dòng)作靈敏度不夠理想，對(duì)于波頭上升陡度較大的雷電波難以有效抑制。

2.2 固體放電管

固體放電管如圖2所示，是利用晶閘管原理制成的過壓保護(hù)器件，利用PN結(jié)的擊穿電流觸發(fā)器件導(dǎo)通放電，可以通過較大的浪涌或脈沖電流。因此，固體放電管可以直接跨接在被保護(hù)電路兩端。

它采用先進(jìn)的氣力注入技術(shù)，具有精確導(dǎo)通、快速響應(yīng)、浪涌吸收組能力強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)；廣泛應(yīng)用于通信交換設(shè)備中的程控交換機(jī)、電話機(jī)、傳真機(jī)、配線架、XDSL、通信接口、通信發(fā)射設(shè)備等一切需要防雷保護(hù)的領(lǐng)域，以保護(hù)其內(nèi)部的IC免受瞬間過電壓的沖擊和破壞。在當(dāng)今世界微電子及通信設(shè)備高速發(fā)展的今天，固態(tài)放電管已成為世界通信設(shè)備的首選器件。主要的優(yōu)點(diǎn)為高電流突波之承受力，啟動(dòng)后可保持低電壓狀態(tài)及較低的電容值。

2.3 壓敏電阻器

壓敏電阻器是利用半導(dǎo)體材料的非線性伏安特性，如圖3所示，而制成的一種電壓敏感元件。圖3給出了壓敏電阻器的伏安特性曲線，可以看出，它是一條對(duì)稱的非線性曲線，當(dāng)外加電壓較低時(shí)，流過電阻的電流很小，壓敏電阻器呈高阻狀態(tài)；當(dāng)外加電壓達(dá)到或超過壓敏電壓Uc時(shí)，壓敏電阻器的阻值急劇下降并迅速導(dǎo)通，其工作電流會(huì)增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而有效地保護(hù)了電路中的其他元件不會(huì)因過壓而損壞。

但是壓敏電阻器也有自身的缺陷和不足：隨著溫度的升高，擊穿區(qū)被壓縮，因此，只有很窄的區(qū)域有防雷作用。同時(shí)由于溫度增高，壓敏電阻漏電流急劇增大，使壓敏電阻劣化燒毀。

2.4 瞬態(tài)二極管

瞬態(tài)二極管的核心原理同樣是PN結(jié)，如圖4所示。當(dāng)電壓超過元件的雪崩電壓、使PN結(jié)工作在雪崩狀態(tài)時(shí)，TVS二極管隨著加在其兩端的電壓不同而改變其阻抗，在規(guī)定的反向電壓作用下，兩端電壓大于門限電壓時(shí)，其工作阻抗能立即降至很低的水平以允許大電流通過，并將兩端電壓鉗制在很低的水平，從而有效地保護(hù)末端電子產(chǎn)品中的精密元件避免損壞。它具有較強(qiáng)的脈沖吸收能力。雙向TVS可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈動(dòng)功率，并把電壓鉗制在預(yù)定水平，它具有較強(qiáng)的脈沖吸收能力。

瞬態(tài)二極管的優(yōu)點(diǎn)是殘壓低，動(dòng)作精度高，響應(yīng)時(shí)間較快（≤1 ns），無跟隨電流（續(xù)流）。缺點(diǎn)是耐流能力差, 無法承受太大的瞬間電流，鉗位電壓隨著電流增加而增加，通流容量小，一般只有幾百安培。

基于瞬態(tài)二極管具有以上的優(yōu)缺點(diǎn)，此設(shè)備一般不作為第一級(jí)接口保護(hù)器，通常用作低電壓電路的二級(jí)保護(hù)。并且，瞬態(tài)二極管能有效地鉗制快速上升的瞬間電壓，特別適合于不需要旁路大能量的低電壓場(chǎng)合的應(yīng)用。

2.5 直擊雷防護(hù)裝置

對(duì)于直擊雷的防護(hù)，通常采用兩種不同的防護(hù)方式，即長期以來一直應(yīng)用防護(hù)直擊雷破壞的避雷針和一些年逐漸完善的避雷網(wǎng)和避雷帶技術(shù)。

對(duì)于鐵路系統(tǒng)而言，站房以及周圍的附屬建筑物占地面積大，設(shè)備種類廣，電子設(shè)備多的特點(diǎn)決定了防護(hù)困難較大。

避雷針如圖5所示，是一種主動(dòng)式接閃裝置，其功能就是把閃電電流引導(dǎo)入大地。因此，將其稱為“引雷針”更為貼切。對(duì)于鐵路站房即周邊附屬建筑物而言，將發(fā)生在周圍云層中的雷擊引導(dǎo)至自身，是一種危險(xiǎn)的行為，因?yàn)橹睋衾撞恢故撬矔r(shí)過電流和過電壓對(duì)于設(shè)備及人員的危害，而更多地是其導(dǎo)致周圍電磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，電磁場(chǎng)范圍變廣所帶來的威脅。

雖然與避雷針的接閃原理一致，但是避雷帶、避雷網(wǎng)對(duì)于直擊雷的防護(hù)具有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。避雷帶是在建筑物的屋脊和屋頂四周敷設(shè)的接地導(dǎo)體，是由避雷針、避雷線發(fā)展而來的。避雷網(wǎng)是在避雷帶的中間敷設(shè)接地導(dǎo)體，以保護(hù)建筑物的中間部位。用于保護(hù)建筑物，其優(yōu)點(diǎn)是敷設(shè)簡(jiǎn)便、造價(jià)低,而且同高聳的避雷針相比,引雷的幾率大為減少。而且它接閃后一般是由多根引下線泄散電流，室內(nèi)設(shè)備上的反擊電壓相對(duì)較低。

3 鐵路站房及其周邊建筑物綜合防雷

雷電對(duì)電氣電子設(shè)備的危害：電氣設(shè)備絕緣擊穿、電子器件損壞、印刷板擊毀。其嚴(yán)重后果：系統(tǒng)癱瘓、設(shè)備停用、軟件失靈。高速鐵路雷害影響列車安全正點(diǎn)運(yùn)行，影響列車晚點(diǎn)的實(shí)例已經(jīng)不少，影響安全的例子也有，應(yīng)加以重視。

從實(shí)際雷害事故的調(diào)查情況來看，雷直接擊中信息網(wǎng)絡(luò)的可能性不大，危害信息系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的主要原因是雷擊電磁效應(yīng)。當(dāng)雷擊建筑物、建筑物附近地面、交流輸電線路以及天空雷云間放電時(shí)，所產(chǎn)生的暫態(tài)高電位和電磁脈沖能夠以傳導(dǎo)、耦合感應(yīng)和輻射等方式沿多種途徑侵人室內(nèi)信息系統(tǒng)。就具體情況而言，雷電侵害信息系統(tǒng)的主要途徑有以下幾種。

1）雷直接擊中信息系統(tǒng)所在建筑物防雷裝置，引起防雷裝置各部位（引下線及接地體）暫態(tài)電位的急劇升高，導(dǎo)致對(duì)電子設(shè)備的反擊。

2）雷電感應(yīng)在輸電線路上產(chǎn)生過電壓，并沿電源線侵入信息系統(tǒng)。

3）雷電感應(yīng)在信號(hào)線路上產(chǎn)生過電壓，并沿信號(hào)線路侵入信息系統(tǒng)。

4）雷擊時(shí)出現(xiàn)的電磁脈沖從空間直接輻射至電子設(shè)備。

計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)設(shè)備一般都安置在室內(nèi)，許多計(jì)算機(jī)主機(jī)房位于大樓較低部位。雷電不可能直接“擊”到設(shè)備上，但雷電電磁脈沖可以在建筑物內(nèi)的電氣電子設(shè)備上感應(yīng)出浪涌。雷電電磁脈沖也可以在進(jìn)入建筑物的各種線路上感應(yīng)出浪涌，經(jīng)線路傳導(dǎo)到設(shè)備。因此，遠(yuǎn)方落雷的雷電電磁脈沖也可進(jìn)入設(shè)備造成設(shè)備損壞。我們稱遠(yuǎn)方落雷經(jīng)由線路傳導(dǎo)到設(shè)備的雷浪涌為傳導(dǎo)雷。也就是說，電氣電子設(shè)備系統(tǒng)主要防的不是直擊雷，而是雷電電磁脈沖感應(yīng)浪涌和經(jīng)線路傳導(dǎo)至設(shè)備的“傳導(dǎo)雷浪涌”。當(dāng)雷電擊中未設(shè)防雷裝置的建筑物時(shí)，雷電流將會(huì)以不確定的方式通過建筑物不確定的結(jié)構(gòu)部位找尋入地的途徑。在建筑物外部與建筑物內(nèi)有關(guān)聯(lián)的金屬物可將在外部所受的雷電沖擊直接傳至建筑物內(nèi)。這種進(jìn)入建筑物的方式，具有由一系列路徑傳導(dǎo)全部沖擊能量的特點(diǎn)，并且有傳遞全部雷電放電破壞效應(yīng)的能力。雷電沖擊的波形通常不會(huì)有大的變化，由此可以造成建筑物的損壞甚至引起火災(zāi)。而它所引起的感應(yīng)雷瞬態(tài)過電壓，是造成建筑物內(nèi)部電氣設(shè)備和電子設(shè)備損壞的一個(gè)重要原因。建筑物如果遭到雷擊，雷電將通過避雷針或避雷網(wǎng)、避雷帶的引下線入地?！耙戮€”上巨大的電流流動(dòng)會(huì)在周圍形成一個(gè)環(huán)繞著它的電磁場(chǎng)，當(dāng)電力或數(shù)據(jù)線路的電纜路徑穿過時(shí)，將會(huì)在線路上感應(yīng)形成過電壓。該浪涌電壓通過線路侵入設(shè)備，即電感耦合，所謂電感耦合是一種雷電與電線之間的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)移效應(yīng)。

圖6闡釋了鐵路系統(tǒng)綜合防雷的基本組成。

除了遵照?qǐng)D6中的各個(gè)步驟設(shè)置鐵路站房以及周邊建筑的綜合防雷系統(tǒng)之外，一些重要的注意事項(xiàng)也會(huì)直接決定整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

a 線纜分類布放。

b 凈線與臟線分開布放。

c 容易遭受大雷電流的線纜與容易遭受較小雷電流的線纜分開布放。

d 減少電源線與通信線間形成的回路面積。

e 電纜分槽布放。

綜上所述，只要在施工的過程中遵照上述原則來制定線纜的排列規(guī)則，就可以起到對(duì)綜合防雷系統(tǒng)的輔助作用，從而減少雷害對(duì)鐵路站房以及周邊建筑物的損害和破壞。

以上從雷害的基本知識(shí)開始，講述了在鐵路站房以及周邊建筑物設(shè)置綜合防雷系統(tǒng)的一些基本知識(shí)，多數(shù)問題是在防雷補(bǔ)強(qiáng)時(shí)發(fā)生的。如果是在建筑物設(shè)計(jì)階段就考慮防雷，則以上問題就可以得到很大程度上的簡(jiǎn)化。綜合防護(hù)應(yīng)當(dāng)在工程設(shè)計(jì)建筑、電力、電務(wù)（通信和信號(hào)）、電氣化供電、信息系統(tǒng)等時(shí)通盤考慮，將建筑物地基、鐵路線路、橋、隧道中的接地網(wǎng)、貫通地線等事先按照四電和建筑物防雷和電磁兼容的需要，做好及預(yù)留各種功能接地的接地螺栓或接地排。建筑物事先按電磁兼容要求設(shè)置屏蔽、布置線纜和設(shè)備。

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