技术探讨：客运专线信号雷电防护和电磁兼容初探

这里所说的“过电压”是指可能对电子设备造成损害或使电子设备失效，超过电子设备所能耐受的电压。过电压是一个相对的概念，对于机电设备而言，几百伏甚至数千伏的电压是“过电压”，但是对于微电子设备，有时十几伏就算是“过电压”了。美国IEEE工业应用学会公布的半导体故障阀值如表1所示。表中看出，电源二极管的破坏能量为1J，而现在的大规模集成电路芯片的破坏能量仅为10-8J，这是一个十分小的数字。比较电源二极管和数字积分电路的破坏能量，它们竟然相差108倍，可见大规模集成电路芯片的耐过电压能力十分微弱。中国铁道科学研究院通信信号研究所经过大量试验发现：用8/20μs波形测试时，有的大规模集成电路芯片的击穿电压仅在十多伏的量级。电气设备过电压损害电气电子设备的实质是电气设备绝缘击穿、烧毁，电子设备元件损坏烧毁。对于大规模集成电路芯片，很低的过电压会将集成电路芯片中的场效应二极管PN结击穿或将电阻或电容的集成单元击穿，造成元件损坏。

表1 半导体故障阀值表

1.2 电磁兼容

高压电力输电线的谐波干扰、电气化铁路牵引供电系统的工作和故障干扰，无线电射频干扰、工业设备谐波干扰、雷电放电浪涌干扰、高压静电放电干扰和核磁脉冲干扰等使地球上的电磁环境持续恶化。而与此同时，电子设备小型化对干扰的防卫能力降低，从前不会对设备造成损害的较小的电磁干扰，现在都有可能损坏微电子设备。为了减小恶劣电磁环境对电子设备的危害，必须考虑电磁兼容。

“电磁兼容”是一门关于防止电磁干扰(EMI)的专门学科。它有2个含义：一是电力、电子系统和电气、电子设备间在电子环境中相互兼顾、相互包容，相互间的干扰都在相互能够容忍的范围内，任何设备不能成为影响其他设备的干扰源，同时也应避免被其他设备所干扰;二是电力系统、电子系统和电气、电子设备间在大自然的电磁环境中，能够承受干扰并在有干扰的环境中能按设计要求正常工作。根据电磁兼容原理，下列外界电磁场干扰源可以侵入信号设备系统，并危害计算机设备、设施(包括网络)及其它媒体的安全：

①雷电电磁脉冲LEMP(Lightning Electromagnetic Pulse);②电网操作过电压SEMP(Switching Electromagnetic Pulse or Switching Transients);③静电放电ESD(Electro-Static Dischargs);④核电磁脉冲NEMP(Nuclear Electromagnetic Pulse);⑤微波辐射WR(Microwave Radiation)。其中，雷电电磁脉冲是自然环境中最重要的，也是功率最大而人力不能消除的干扰源。因此只能尽量采取适当的措施，减少其对信号设备系统的危害。目前较为适当的措施就是电磁兼容和综合防雷技术。

1.3 信号设备电磁兼容和综合防雷

电气、电子设备的综合防雷技术包括防雷和防止其他电磁场对微电子设备的干扰，是目前公认的最有效的防护方法。综合防雷是一个系统工程，对于建筑物内的电气电子设备，综合防雷技术包括外部防护、内部防护和在电气电子设备端口装置浪涌保护器等措施。建筑物外部防护由直击雷防护系统组成，建筑物外部防护的目的是在建筑物遭受雷击时，减小入地雷电流产生的电磁感应对室内电气电子设备的影响，内部防护由磁场屏蔽(建筑物空间屏蔽和内部线路屏蔽)、合理布线、等电位连接组成，目的是在建筑物近旁遭受雷击时，阻挡大气中雷电电磁脉冲侵入室内。

当建筑物近旁或远端遭受雷击时，信号设备的电源线路信号传输线路可能受雷电电磁场感应，雷电电磁脉冲沿其侵入室内信号设备造成雷害。设置浪涌保护器的目的是将入侵的雷电流一部分泄放到地下，并将雷电压钳制到信号设备耐雷电冲击安全水平以下。当建筑物遭受雷击而地电位上升时，信号设备的电源线路、信号传输线与地线间有一较高的电位差，设置浪涌保护器可以均衡电源线路、信号传输线路与地线间的电位。外部防护、内部防护及浪涌保护器都共同使用了一个良好的接地网。因此客运专线在信号机房建筑物设计时应当按照国家标准“GB/T 21714.4-2008雷电防护第4部分：建筑物内电气和电子系统”的要求，设置外部防雷系统、内部防雷系统和地网。

轨边的信号设备，应当安置在接地的金属箱盒内。对于客运专线，这些金属箱盒内应当与由综合接地系统的贯通地线良好连接，并在箱盒内设置接地汇流排和安装浪涌保护器。

1.4 正确选用和安装浪涌保护器(SPD)

在国家标准“GB/T 21714.4—2008雷电防护 第4部分：建筑物内电气和电子系统”中，特别强调了安装能量协调配合的浪涌保护器。浪涌保护器安装在线路和设备端口，必须满足浪涌保护器的保护水平Up小于设备的雷电耐受电压水平Uw的要求即Up

选择SPD适当的电压保护水平时，还要考虑SPD的连接线长度。当SPD与被保护设备连接时，连接导线的感应电压降ΔU将与SPD的电压保护水平UP叠加。实际的保护水平Up/f定义为SPD的实际输出电压，它是SPD的保护水平和连接线的电压降之和(图1)。

国际标准IEC 62305-4《雷电防护 第4部分：建筑物内电气和电子系统》的2008年修订版认为，限压型SPD的Up/f=UP+ΔU。SPD流过雷电流时，若连接导线的长度≤1m，每米长度的导线电感为1μH，对于电源SPD，当流过雷电流时，1m线路上的ΔU可以达到1kV，对于智能电源屏，1kV ΔU加上1kV以上的UP可能是灾难性的。只有在充分满足Up/f≤UW，即SPD与设备间的导线长度可以忽略时，内部系统才得到保护。因此，除了在电源线进入建筑物处安装第1级电源SPD外，在智能电源屏内尽量靠近被保护单元或器件还要设置一级UP极低的SPD，连接线应当极短。

二、集装箱中继站的防雷考虑

在客运专线，信号系统大量的采用了集装箱中继站。集装箱中继站为铁质，由于铁磁物质对磁场的良好衰耗，铁质集装箱成了一个较好的磁屏蔽体。集装箱内的信号设备处于良好的雷电电磁环境中，集装箱的雷电防护主要防止直击雷对集装箱的机械损坏和传导雷对箱内信号设备的损害。

为了防止雷电直击集装箱中继站，条件许可时，应尽量将集装箱安置不易遭受直击雷的位置，如高架桥下，安置在空旷地带的集装箱应当在箱体上设置避雷带和在箱体顶面设置小短避雷针，以避免雷击箱面时造成机械损坏。一般采用滚球法计算小短避雷针的设置位置和高度。小短避雷针的高度应满足集装箱中继站的运输条件。

进入箱体的电源线应当设置符合能量配合要求的SPD，由于客运专线电源线都为地下电缆引入，根据国家标准“GB/T 21714.1—2008雷电防护1部分：总则”的描述，建筑物附近雷击在电源线上的感应电流或雷电传导进入建筑物内电源线的电流期望最大值为5kA(8/20μs波形)，因此，集装箱中继站的第1级电源防雷设备可选用8/20μs波形测试时标称电流为10kA的SPD，在雷害严重地区最多选用8/20μs波形测试时标称电流为20kA的SPD。由于集装箱面积狭小，电源系统不适于多位置安装防雷设备，因此选用Up低的SPD至为关键。

信号线进入集装箱时的分线柜，应当采用防雷型分线柜，同样的理由，防雷型分线柜的SPD不宜选用标称电流大的SPD，而特别要注意按照电子设备的雷电耐受能力UW选用信号设备用SPD的Up。