铁路通信信号防雷技术研究及展望

摘 要：结合铁路行业的技术革新，概述了铁路电务领域中雷电防护研究的发展历程；从现场实际需 求出发，逐步建立完善了综合防雷的理论体系；以技术难点为切入点，综合多种专业知识，修订实 施了综合接地系统的技术细节；基于高速铁路的发展，完成了多项新型防雷技术的成果转换。在上 述研究的基础上，提出了未来铁路发展中雷电防护领域的研究方向和攻关难点。

关键词：铁路发展；综合防雷；综合接地系统

雷电是剧烈的自然现象，对人类生活的影响很 大，它能给人们造成巨大的经济损失和人员伤亡。 自从铁路通信信号系统设备釆用电气电子设备以来， 雷电对铁路通信信号系统的影响日趋严重和突出， 所引发的雷害对铁路行车安全造成一定的威胁。因 此，我国铁路部门一直十分重视通信信号系统设备 的雷电防护工作。

1、历史沿革

原铁道部是我国最早开展电气电子系统弱电设 备雷电防护的国家单位之一，早在1965年就批示在 铁道部科学研究院通信信号研究所设立专题组，开 展铁路通信信号设备雷电防护工作，从此开启了我 国铁道行业现代防雷技术的研究。经过8年的走访 和调研，对铁路运营线路的雷害情况有了全面的了 解，掌握了大量的现场数据，最终完成研究报告。 以此工作为基础，1973年12月铁道部科技司、电务 局牵头共同成立“铁道部信号防雷小组”,负责规 划全路信号防雷工作，组织协调各部门信号防雷工 作的开展，以及信号防雷技术标准的归口和日常管 理工作等；委派铁科院通号所担任组长单位并设立 秘书处，成员由研究、设计、生产单位及各铁路局 电务处等组成，同时在铁科院通号所建立“铁道部 信号防雷中心实验室”，后改为“全路信号防雷中 心实验室“，承担各类防雷产品的测试、检验工作。

进入80年代，我国国民经济快速发展，铁路行 业也迎来了新一轮的发展浪潮。随着铁路路网建设 的密集化和电气化，为进一步减少雷击造成的事故， 减轻雷害的损失，原“铁道部信号防雷小组”调整 部署更名为“铁道部电务防雷小组”，并成立“铁 道部防雷工作指导小组”，统筹规划协调科研、设 计、制造、施工、维修等部门的防雷工作，从而更 好地服务于电务专业。1987年以铁电务[ 1987 ] 577号 部令发布了《铁路信号设备雷电防护办法》。随着

[1987 ] 577号文的发布实施，全路开展实施大规模 的铁路通信信号设备防雷改造，三年内投入大量资 金，使得雷害大幅减少。1990年“铁道部电务防雷 小组”对1987年-1989年全路信号设备防雷情况进 行了统计，全路重点站段的雷害减少了 70%以上， 1989年信号设备雷害导致的故障延时较1986年减少 了 56.5%,铁路通信信号设备防雷能力大大提高。 1991年基本完成了全路防雷规划纲要中规定的各项 任务，自1992年开始相继深入开展铁路通信信号设 备雷电防护研究、技术标准和规范的制定、防雷产 品的开发等各项工作，使行业内防雷工作有序进行， 铁路运营得到了近十年的相对平静期。

到本世纪初，随着计算机联锁和信号控制系统 设备上道推广，以计算机联锁为代表的铁路信号设 备雷害凸显，雷击故障的数量开始上升，严重影响 铁路行车安全。这是因为铁路通信信号系统大量采 用集成电路，而集成电路的耐能量能力由分离原件 的1J下降到10-8J,即使较小的雷电电磁脉冲侵入 都可能损害集成电路，从而造成大面积雷害。因此 从2000年开始，铁科院通号所开展了针对微电子设 备的雷电防护研究，包括《微电子设备及运用系统 雷电防护方案和标准的研究X 2000年~ 2002年）《微 电子设备雷电防护设备的研究》（2000年~ 2001年） 和《铁路沿线雷暴活动统计分析及雷电防护的研究》

（2001年~ 2002年），并针对微电子化铁路通信信 号系统提岀了 “综合防护”的理念，完善了综合防 雷技术的理论基础，使得综合防护观念深入人心、 日渐成熟。

随着计算机等电子设备在铁路信号系统的广泛 应用，以及铁路运输日趋繁忙，加强信号设备的防 雷工作迫在眉睫。2006年原铁道部运输局组织起草 并发布《铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护实 施指导意见》（铁运【2006 ] 26号），随后在全路 再次开展为期三年主要针对铁路既有站的大规模综 合防雷整治，使得铁路通信信号防雷工作能够持续 有效地进行。

五十多年来，铁路行业通过广大防雷技术工作 者的理论探索和实践创新，吸收借鉴国内外先进的 防雷理念，建立健全了独具行业特点的铁路通信信 号综合防雷体系，制定了涵盖防雷元器件、产品、 技术条件、测试和检验方法、防雷工程设计及施工、 综合接地等领域的铁路行业防雷系列标准、技术规 范和综合防雷技术方案。目前现行有效防雷标准包 括三大系列11项，未来还将结合我国铁路建设发展, 特别是高速铁路的实际情况，逐步规范和完善。

2、防雷技术

铁路通信信号设备综合防雷系统框图如图1所 示，它由外部防雷、内部防雷和综合接地构成。

2.1外部防雷措施

外部防雷措施用于直击雷防护，并改善信号设 备所处场地及机房电磁环境条
件，包括接闪器（避雷 网、带）、引下线，相互连接并与信号楼建筑物地网 （接地装置）连接，雷击发生时可以将直击雷的巨大 能量引导到大地耗散掉，避免对机械室内的通信信号 设备产生直接的破坏。外部防雷措施如图2所示。

2.2内部防雷措施

内部防雷措施用于防止或减小雷电流在需防护 空间内所产生的雷电电磁感应脉冲对微电子设备的 伤害，主要由信号机械室屏蔽、均压等电位连接及 接地等措施构成。充分合理地利用建筑物内的各种 金属构件接地构成屏蔽体（包括法拉第笼），使其 与地电位等值，除了建筑物结构钢筋做成的屏蔽网 外，还要和建筑物内的其它金属结构如金属构架、 电缆屏蔽层、防静电地板等搭接并可靠的接地，组 成初级屏蔽网。信号机房顶部及四面墙上加装铁质 的屏避网或屏蔽板，并且与机房建筑物地网可靠电 气连接，防静电地板支柱亦应采用紫铜箔与地网可 靠电气连接。均压措施是在信号机房内墙体四周合 适位置设立铜质等电位连接排，分别供机房内电源 防雷箱浪涌保护器SPD接地、防雷分线柜信号浪涌 保护器SPD接地、电磁兼容和屏蔽接地。各种等电 位连接排都由建筑物接地网分别接引。对于进入建 筑物的信号电缆的金属钢带、铝护套应在建筑物界 断开并与地网有效电气连接，防止雷击时金属铠装 上的雷电流侵入信号机械室引发雷害。

2.3接地与布线

车站釆用综合接地系统，交流工作接地、直流 工作接地、安全保护接地、防雷接地共用接地装置， 引入室外埋设接地网。机械室建筑物地下部分建成 面积大的接地网（自然接地体），面积小的机械室 建筑物四周还应设立由垂直接地体和水平接地体组 成的环形接地网。

车站采取总等电位连接措施和局部等电位连接 措施在LPZ0A （直击雷非防护区）或LPZ0B （直击雷 防护区）与LPZ1 （第一防护区）交界处设置车站设 备总等电位接地端子板。机械室内的各种等电位接地 排与接地网及不同引接点进行可靠电气连接。机械室 内未经防护的信号线缆（脏线）和已经过防护的线缆 （净线）分开敷设或加铁质管（槽）敷设。同时为避 免干扰，电力电缆与通信电缆、信号电缆、控制电缆 等应分开敷设或加铁质管（槽）敷设。当电力电缆与 通信信号电缆并行敷设时，两者间距应不小于150 mm; 两者垂直交叉时，其间距应不小于50皿。

2.4浪涌保护器SPD

所有从室外来的导线（包括电力电源线、电话线、 信号线）都应通过加装浪涌保护器SPD进行防护， 将沿导线传导引入的雷电电磁感应过电压通过SPD 泄放入地，达到暂时“等电位”。

电源线感应的浪涌，主要来自电力线路遭直 击雷或线路附近落雷感应的雷电电磁脉冲，沿电力 线传导进入电源配电室。一般电力线传导的雷电流 都较大，应选用较大耐过电流能力并具有劣化脱离 装置的电源防护设备（电源防雷箱）。电源防护通 常按照三部位考虑，第一部位安装在雷电防护分区 （LPZ0-LPZ1 ）处，即建筑物室内与室外界面，并 联安装在电源配电室；第二部位安装在车站信号机 械室内电源线引入处；第三部位设置在电源屏或终 端用电设备处，计算机设备电源线前还可安装串联 型电源防护装置，提供更好的精细防护。

铁路信号设备信号传输线宜采用埋地信号电缆， 其传导引入的感应雷电电磁脉冲较小，每条线对地 的感应雷电流都在数百安培量级，通常釆用较低耐 过电流的铁路信号浪涌保护器防护，并集中设置在 铁路信号防雷分线柜中。防雷分线柜作为信号传输 线室内与室外分界面应妥善釆取合理的接地措施， 特别是信号电缆一次、二次成端接地。对于室内通 信信号设备间的传输线缆亦应釆取有效的屏蔽与防 护措施，严格遵循铁路行业相关的标准与技术条件， 包括防雷设计、产品及施工工艺规范。

外部防护、内部防护、接地与完善合理的布线 技术，安装协调配合的SPD,才能构成一个有机联 系的整体，全面落实上述5项措施，才能达到一定 的防护效果，这就是雷电综合防护框架。

1、接地系统

综合接地系统，是将铁路沿线的牵引供电、电 力供电、信号、通信、信息等系统内需要接地的设备， 与建筑物、道床、站台、桥梁、隧道、声屏障等接 地设施的接地装置，通过共用的贯通地线连成一体 的接地系统。铁路沿线各接地装置成为综合接地系 统的子接地系统。

通信信号设备机械室建筑物的地网，通过贯通 地线连接成为综合接地系统一部分。沿线长途通信 电缆、电缆槽支架、漏泄电缆悬吊钢索等的接地装置. 通过贯通地线连接，成为综合接地系统的一部分；

-169 - 无线通信基站及区间中继设备的杆塔等接地装置， 在满足交流接地电阻不大于1。要求后，通过贯通 地线连接，成为综合接地系统的一部分。

对于牵引供电系统与贯通地线的连接主要采取 以下措施：PW线或NF线通过扼流变压器与轨道连 接，并与贯通地线连接；牵引变电所的架空回流线 或回流绝缘电缆(线)，经扼流变压器中性点与钢 轨相连接；牵引供电接触网杆塔的防雷接地装置， 通过贯通地线接入综合接地系统。

贯通地线釆用一定铜当量的裸铜线埋地敷设， 除了充当牵引供电系统回流线外，还是各接地子系 统的连接线，也是沿铁路敷设的共用地线。它将沿 线构筑物设施内的接地装置、各种电气电子设备和 金属构件等连成一体，形成一个宏观的等地电位体， 这在高速铁路中极其重要。

2、浪涌保护器

自1973年由“铁道部信号防雷小组”组建铁道 部信号防雷中心实验室以后，相继完成我国第一支 大功率金属陶瓷三极放电管和大功率氧化锌压敏电 阻器等关键防雷器件的研发，并以此为依托，开展 了针对铁路通信信号领域专用浪涌保护器的研究与 成果转换工作。设计开发了多款适用于电源、铁路 信号、铁路通信设备雷电防护的专用浪涌保护器， 广泛应用于铁路编组站计算机信息处理系统、调度 集中系统、调度监督系统、驼峰编组站半自动/自动 化系统、通信微机确报系统、车辆红外轴温监测系 统等众多场景。时至今日，已有五大类30余种防雷 产品通过CRCC产品认证，并取得多项国家专利， 提供的防护范围涵盖了铁路电务系统内各类设备。

5 技术展望

随着高速铁路通信信号系统设备不断向着微电 子化、集成化和智能化的发展，铁路通信信号系统 的雷电防护技术也在不断创新。

5.1 新型SPD的研究

国际主流的防雷研究趋势依旧是针对基本防雷 器件的性能展开的，小型化防雷器件、低电压保护 水平Up防雷器件和能够承受瞬时多脉冲的防雷器件 都是研究的重点。未来我们将继续跟进了解基本防 —170 -

雷器件的研究动态，选择理论研究扎实并被实践证 明防护效果好的器件，开发适用于铁路行业的新型 SPD,提升防护效果。

5.2 通信类SPD的监测研究

由于铁路通信信号机械室内防雷设备众多，防 雷设备的维修检査工作量大，且通信类SPD多为串 联型，难以进行常规监测，除了克服现场复杂电磁 环境的干扰，还需解决SPD电参数的实时无源采集， 因此，如何准确地釆集传输SPD实时工作状态是未 来研究的难点。下一步，我们将开展针对此类SPD 状态的实时监测研究，从而简化现场运维工作。

5.3 板载防雷装置的研究

研究通信信号设备端口板载防雷装置，增加通 信信号设备的耐雷能力(Uw)。随着集成电路的高 度集成化，相应的耐能量能力越来越低，因此有必要 开展在电子设备外线端口加装板载防雷装置可行性研 究。以此研究为基础，提出相关技术参数，并开展技 术标准的制订工作。以提升设备端口的耐雷水平为突 破口，整体改善通信信号专业室内设备的防雷效果。

铁路通信信号雷电防护从起步发展到今天，走过了艰难而曲折的道路，经过广大防雷工作者的不 懈努力在铁路行业防雷技术领域取得了显著的成绩。 随着我国高速铁路建设发展，防雷工作必须紧跟时 代步伐，集中精力潜心基础理论研究。从高效防护、 安全运营的角度出发，既要进一步提升防雷效果， 亦需探索减少运维成本的新思路，任重而道远。