齐毅 QI Yi
（北京中铁天易科技发展有限公司，北京 100036）
（Beijing China Railway Tianyi science and Technology Development Co.，Ltd.，Beijing 100036，China）
摘要：随着我国交通运输业的快速发展，铁路运输系统不断变得复杂，许多问题不断出现，影响着铁路运输系统的正常运转。其中，作为运输系统重要枢纽的铁路通信设备遭受雷击的问题尤为突出。针对这一研究现状，本文开展了关于铁路通信机房设备的防雷技术研究。本文从雷击的基本概念及分类入手，详细阐述了雷击放电的表现形式、雷电对铁路运输系统的影响以及铁路通信设备防雷的实践意义。并在此基础之上提出了铁路通信设备防范雷击损害的基本原则、原理以及具体措施。通过对本文的研究可知，通过屏蔽连接、规范综合布线以及联合接地等防雷措施可对雷击损害铁路通信设备进行防范。
Abstract： With the rapid development of China’s transportation industry， railway transportation systems continue to become complex， and many problems continue to arise， which affects the normal operation of the railway transport system. In which， the railway communication equipment， as an important hub of railway transportation system， being struck by lightning is particularly prominent. For this， this paper carried out the research on the lightning protection technology of railway communications room equipment. Starting from the basic concepts and classification of lightning， this paper elaborates the form of lightning strike， the effect of lightning on rail transport system as well as the practical meaning of lightning protection for railway communication equipment. And on this basis it proposes the basic principles， theory and specific measures of lightning protection of railway communication equipment. Through the study of this paper， it shows that the lightning of railway communications equipment can be prevented by shielding connection， standardized cabling and grounding joint measures.
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关键词 ：铁路；通信设备；防雷措施
Key words： railway；communications equipment；lightning protection measures
中图分类号：TN974 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）18-0143-04
作者简介：齐毅（1980-），男，北京人，毕业于北京联合大学，研究方向为自动化。
0 引言
铁路作为交通运输系统中的重要组成部分，在国民经济的建设当中具有相当重要意义。现代化的通信设备铁路运输过程中的作用是不可替代的，铁路通信设备作为铁路运输系统中的重要枢纽，保障着铁路运输系统的安全、高效运转。通信设备在铁路的运输当中主要是用于铁路信息的采集、传输、处理以及共享，从而对铁路运输资料进行高效地利用。铁路运输系统的高效、安全、质优的运行需建立在铁路通信设备的安全运行的基础之上。随着科学技术的不断发展，运用于铁路交通中的通信设备也在同时得到改善，通信技术在铁路系统中重要性随着其运用的不断深入也逐渐增大，因此，铁路通信设备的安全保障问题显得相当重要。火灾、雷电及其电磁脉冲很容易对电子通信设备产生破坏，因此，防雷对于通信设备在铁路系统中的安全运用十分重要。
1 雷击
雷击放电的表现方式主要有2种，第一种，空中带异种电荷的云层之间的相互碰撞；第二种，地面带电荷物质与空中的带电云层之间导电所形成的。上述的第一种情况影响较小，因为它只是天空中的云层之间相互放电，不至于对地面造成多大影响。然而，第二种雷电的形成就会对地面产生一定影响。雷击根据放电形式的不同主要分为三种：
①直击雷：带电云层与大地之间的迅速放电。即带电云层与地面带异种电荷的某一点发生迅猛、直接的放电现象，其能量直接在地面某一点进行释放。②感应雷：在带电云层与大地之间的迅速放电的过程当中脉冲电流对附近的导体产生电磁感应而产生高电压，并导致闪击现象。即在静电感应的作用下，空中带电云层致使地面某一范围内物体产生异种电荷而引发的导电现象，或地面周围金属物（或导线）由于空中云层放电所产生的强脉冲电流而产生电磁感应，形成高压电，造成瞬间受击的一种雷击现象。通常情况下，感应雷很有可能在直击雷发生后产生。③雷电波：当输电电线产生感应雷时产生的一种沿各个方向无规律快速传播的高电位冲击波。雷电波的危害是对广电的播出环节进行干扰，甚至对电源终端系统进行破坏。
2 铁路通信设备防雷的实践意义
在铁路运输的过程当中，需多种铁路专用通信设备来对铁路运营的畅通进行保障，而这些铁路专用设备需有一定的场所进行安置，即所谓的通信信息机房。通信机房一般情况下都是设置在地理位置空旷的铁路线路附近，其占地面积小且无人看守，因此，雷电极易对其造成伤害。雷击造成通信设备瘫痪，进而导致铁路交通事故的发生是十分常见的，从相关数据统计显示，雷击是近些年造成通信设备损坏的重要原因之一，且所占比例还在逐年上升。雷击使铁路的安全运输受到了严重威胁。首先，气候条件是导致雷击事件发生的主要因素，铁路运输线路的支叉较多，且通信机房大多分布于山区或雷雨较多的地区，因此，通信设备遭到雷击的频率较高。另外，若通信设备的接地措施做的不够到位也将引发雷击，从而对铁路交通的安全运行造成相当恶劣影响。一旦铁路通信设备遭到雷击之后，将会对铁路交通的运输秩序，甚至对整条铁路运输线或运输枢纽的正常运行产生影响。因此，铁路通信机房设备的综合防雷势在必行，我们必须通过现代化防雷技术措施的运用以保障通信设备及铁路系统的正常、安全运行。
3 防雷的基本原则
3.1 系统防护原则
对铁路通信信息机房进行防雷防护需将铁路通信系统及其运行环境作为整体进行分析，其防护工作需有针对性地对通信线路以及进局引入等内容进行整体考虑。
铁路通信系统的防雷击包括通信线路与电子设备的保护，这两部分是相辅相成的。线路保护是为了降低起源处的过电流及过电压，使其对系统危害（包括对线路本身危害）降低。电子设备的保护指的是经过适当的保护措施之后，设备可免受雷击的危害。
根据铁道部颁发的《铁路通信设备雷电综合防护实施指导意见》的相关要求可知，铁路通信机房设备的防雷工作分为外部与内部防雷两个部分。外部防雷包括避雷带、避雷网以及引下线的安装，地网的设置，对通信铁塔进行接地防雷。外部防雷的工作内容主要是降低直击雷对通信设备的危害。而内部防雷是指除了外部防雷措施以外的所有附加防雷措施，其主要是作用为了防反击、防雷电感应、防雷电波的入侵，以及保障人身安全等。这些措施的实施可减少雷电流电磁效应的产生，从而防止机房内的通信设备被雷电损坏，外部防雷系统则无法发挥这样的作用。
3.2 概率防护原则
因为事故的发生具有必然性和偶然性，所以通信设备的防雷击工作只是一种概率防护，我们能做的只是将遭受雷击的概率降到最低，而并不能将雷击事故完全杜绝。
首先，雷击事件发生的本身就有一定的随机性，雷电参数具有一定的统计性质，例如，直击雷的雷电流幅值，绕击特性以及波形等都具有一定的统计性。所以，防护措施对通信设备的保护不能做到100%。其次，通信设备的防雷措施不能防止雷闪的形成。除此之外，防雷装置不能将所有干扰电压或电流消除。因此，防雷击措施的实施的根本目的是为了保证由干扰产生的大部分能量不传递到装置的易损部件以及保障人员的安全。
4 铁路通信机房设备防雷技术
4.1 通信设备的防雷基本原理
根据原理的不同，防雷可分为4种：①疏导法。所谓的疏导法就是指疏导天空中云层的电荷进入地下而使建筑物避免受到雷击。②隔离法。隔离法指的是利用绝缘材料将建筑物隔离开来，从而使带电云层与建筑物之间没有直接接触，进而保证建筑物不会遭受雷击的一种方法。③等位法。把有可能遭受雷击的物体或建筑物（保护对象）置于同一电位之下，从而避免了雷击发生时电位反击的产生。该防雷击的方法叫等位法。④消散法。由于地面带电荷物质与空中的带异种电荷云层之间容易形成雷击，因此，可以通过释放异种电荷中和空中云层的电荷以避免雷电产生，这就是所谓的消散法防雷。
4.2 铁路通信设备的防雷措施
铁路通信信息机房的防雷击工作不是独立的，而是一个系统的工程，其包括的方面很多，有直击雷的防护、屏蔽与等电位连接措施、电涌保护器（SPD）的安装、综合布线的规范、接地系统的合理完善等六个的内容组成。综合防雷包括3个关键技术点：外部防雷系统（防直击雷）、过电压保护装置的合理配置和完善（包括通信与电源），以及良好的等电位连接系统。根据上述防雷的四种途径，在铁路通信设备防雷中，我们可采取的以下几种措施：
4.2.1 建筑物的防雷
铁路通信信息机房本身作为一种建筑来说，极易遭受直击雷雷击，直接打在建筑物上会导致机房内的通信设备被烧毁或损坏。针对直击雷的打击，不仅要在楼顶安装避雷针进行避雷，而且还需通过地下线的连接把雷击电流通过导线直接引入地下，机房内的通信设备地下接线可与这些接线为同一组接线体。
4.2.2 联合接地系统的应用
铁路通信信息机房的防雷工作当中，接地防雷技术所占的比重较大，对通信设备进行有效的雷电防护必须有一个良好的接地系统作为保障。铁路现代化的建设当中，现代化的站内通信设备不断增多，也在不断变得先进，因此，铁路通信设备的防雷必须建立在不同设备与建筑物之间的良好等电位连接系统的基础上。为此，铁路通信的接地防雷技术必须深入探讨。
接地防雷技术是防雷体系中最有效、最基本的方法。接地防雷技术根据接地作用的不同可分为：保护地、工作地以及防雷地三种形式。保护地是当系统由强电电源供电时，通信设备的外壳需接保护地，从而保障人身安全。对于重要的铁路通信设备来说，必须具备工作地，因为它可提供给整个系统标准的参考电位，而只有标准参考电位系统方能工作正常。防雷地的作用是：当系统与电缆或室外架空金属设备相连时，在系统合理位置接“防雷地”可避免雷击高压串入系统，从而保障系统的安全。
保护地、工作地以及防雷地在通信系统中是分别安装、互不相连的，这种自成系统的该接地方法为“分设接地系统”。相对的，“联合接地系统”就是保护地、工作地以及防雷地合并连接在一起而形成统一的接地系统。虽然有人坚持“分设接地系统”较为适合铁路通信机房设备的防雷，但是，本文认为“联合接地系统”更加适合。首先，接地系统的联合可将不同接地点之间存在的电位差消除，从而在雷击发生时可较好将不同接地点间的放电现象抑制或消除。此外，铁路沿线的地线及各管线连接在一起可方便接地阻值的测量工作，极大地方便了监测工作的开展，从而保证通信机房内设备的安全。
通信机房地网、变压器地网、铁塔地网以及信号综合地网组成联合地网。图2和图3分别为综合地网的连接图和无线铁塔地网线与综合地网连接图。
4.2.3 天线及天馈线的防雷
通过无线进行通信的系统，例如，无线列调、移动通信以及站场无线调度等系统的天线应架设在建筑物避雷针保护的30°角范围之内。铁塔顶、底以及机房入口处外侧的天线馈线应就近接地。在铁塔的高度超过60m时，电缆馈线的外护层还需中部添加接地处理。铁塔底部应在馈线经过走线桥上铁塔转弯处上方0.5~1.0m处进行接地，另外，走线桥的始末两端均需接地良好。天馈线应埋地进入机房或铺设在走线桥上进入机房。天线馈线应就近在室外馈线入口处接防雷器接地端子。在馈线进入机房之后，需在通信设备的连接处安装馈线防雷器。
4.2.4 直流电源的防雷
直流电源48V的正极（或24V的负极）需在直流输出处进行接地。通信设备的保护接地需与直流电源柜的工作接地、保护接地用同一组接地体接地，当通信设备与直流电源在相同机房时，必须使用同一个机房以保护接地体。使用直流电的通信设备的直流工作地需从室内接地汇集线的附近上接。
《铁路通信设备雷电综合防护实施指导意见》中关于通信设备防雷保安器（SPD）的设置和要求，防雷器必须安装在直流电源的两端以保证直流电源的正负极以及大地的瞬态电位相等，从而避免通信设备因大地电位的突然升高而形成电位反击导致其损坏，其具体的实施方案如下：
首先，直流电源防雷器安装于通信设备直流电源的输入端，电源电压小于500V，且标称冲击通容（In）不小于10kA；其次，用10mm2铜芯线将相同参数的SPD并联安装于直流电源的输出部分，在附近进行接地，配上相对应的1P空气开关，并采用16mm2的铜芯线进行接地。
4.2.5 入局线缆的防雷
进出局站的全部光电缆都需采用埋地的敷设方式进行，并且线缆必须选用具有金属外护套的。对于多芯或双绞电线而言，需经过埋地的铁管的屏蔽后进入局站内。铁管两端或金属外护套必须分别与最近的防雷接地装置相连接。通信机房内的各种电线或电缆必须尽量靠近，从而消除它们之间较大感应回路的形成。电缆线在进入通信机房后在相对应的设备接口处必须安装信号避雷器，且信号避雷器装置的接地保护线也需尽量短。
4.2.6 设备机架及走线架的防雷
为了更好地满足防雷的工作需要，通信机房内的设备在安装和固定之后要与屋顶、墙壁、地面以及桌面等一系列机房内设施进行绝缘，而且机回绕的接地保护工作也需做好，机架与设备外壳间也同样进行绝缘处理，机架可在总接地线上进行接地，此外，走线架可在机房的接地线上接地。
4.2.7 机房内配线的防雷
所有进入通信机房内的外线电缆都要经过接地防雷后才能进入通信机房，必须对不接地进入机房使用的外线严格禁止，对于全部的电缆和外线金属外护套而言，也都必须在配线架上进行接地处理，此外，交换机和配线架也要经过联合接地，且交换机和配线架可用同一组接地体接地，但配线架的接地线长度需尽量缩短，更加不能出现缠绕的现象。
在笔者所在公司承建的某个铁路通信系统集成项目中，由于施工地区处于雷电多发区，对于全线的车站的通信机房均采用了本文中论述的防雷方法，首先确认综合接地的结构：利用土建结构地梁钢筋及桩筋作接地体，并采用扁钢以上圆钢焊通成一个整体，再与防雷引下线和均压环焊通，组成一个闭合的防雷整体，再根据土壤电阻率调整接触面积，保证综合接地电阻值小于1欧姆。同时，根据设备和办公点的安装区间和位置，对不同区段的线路分别加装SPD防雷模块，保证天线系统、电源系统、布线系统和机房汇聚段的防雷隔离，保证了系统安全。截至今年，该铁路线未发生过雷击导致通信中断的事故，有效保证了通信的正常。
5 结论
综上所述，铁路通信设备遭受雷击的事件时有发生，铁路通信信息机房设备的防雷在保障人员安全、设备正常运行以及铁路运输线或运输枢纽的正常畅通具有极其重要的实践意义。我们必须本着系统防护和概率防护的原则，对铁路通信设备通过联合接地、安装避雷器等措施进行保护。
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