客運專(zhuān)線(xiàn)信號雷電防護和電磁兼容初探

集裝箱中繼站的防雷和綜合接地系統的特點(diǎn)，提出客運專(zhuān)線(xiàn)在建設時(shí)應當同步建設綜合接地系統和建設綜合防雷系統。標志著(zhù)中國鐵路高速時(shí)代到來(lái)的客運專(zhuān)用線(xiàn)大規模建設正蓬勃開(kāi)展，它為通信信號、列車(chē)控制、調度指揮等提出了新的要求。而這些系統設備采用的大量微電子器件，對雷電和電氣化干擾電壓極為敏感。因此，必須研究客運專(zhuān)用線(xiàn)信號設備的雷電防護和電磁兼容問(wèn)題，以確保信號設備全天候安全運行和列車(chē)安全正點(diǎn)運營(yíng)。

一、客運專(zhuān)線(xiàn)信號設備的電磁兼容和綜合防雷

1.1 過(guò)電壓對微電子設備的危害

這里所說(shuō)的“過(guò)電壓”是指可能對電子設備造成損害或使電子設備失效，超過(guò)電子設備所能耐受的電壓。過(guò)電壓是一個(gè)相對的概念，對于機電設備而言，幾百伏甚至數千伏的電壓是“過(guò)電壓”，但是對于微電子設備，有時(shí)十幾伏就算是“過(guò)電壓”了。美國IEEE工業(yè)應用學(xué)會(huì )公布的半導體故障閥值如表1所示。表中看出，電源二極管的破壞能量為1J，而現在的大規模集成電路芯片的破壞能量?jì)H為10-8J，這是一個(gè)十分小的數字。比較電源二極管和數字積分電路的破壞能量，它們竟然相差108倍，可見(jiàn)大規模集成電路芯片的耐過(guò)電壓能力十分微弱。中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所經(jīng)過(guò)大量試驗發(fā)現：用8/20μs波形測試時(shí)，有的大規模集成電路芯片的擊穿電壓僅在十多伏的量級。電氣設備過(guò)電壓損害電氣電子設備的實(shí)質(zhì)是電氣設備絕緣擊穿、燒毀，電子設備元件損壞燒毀。對于大規模集成電路芯片，很低的過(guò)電壓會(huì )將集成電路芯片中的場(chǎng)效應二極管PN結擊穿或將電阻或電容的集成單元擊穿，造成元件損壞。

表1 半導體故障閥值表

1.2 電磁兼容

高壓電力輸電線(xiàn)的諧波干擾、電氣化鐵路牽引供電系統的工作和故障干擾，無(wú)線(xiàn)電射頻干擾、工業(yè)設備諧波干擾、雷電放電浪涌干擾、高壓靜電放電干擾和核磁脈沖干擾等使地球上的電磁環(huán)境持續惡化。而與此同時(shí)，電子設備小型化對干擾的防衛能力降低，從前不會(huì )對設備造成損害的較小的電磁干擾，現在都有可能損壞微電子設備。為了減小惡劣電磁環(huán)境對電子設備的危害，必須考慮電磁兼容。

“電磁兼容”是一門(mén)關(guān)于防止電磁干擾(EMI)的專(zhuān)門(mén)學(xué)科。它有2個(gè)含義：一是電力、電子系統和電氣、電子設備間在電子環(huán)境中相互兼顧、相互包容，相互間的干擾都在相互能夠容忍的范圍內，任何設備不能成為影響其他設備的干擾源，同時(shí)也應避免被其他設備所干擾;二是電力系統、電子系統和電氣、電子設備間在大自然的電磁環(huán)境中，能夠承受干擾并在有干擾的環(huán)境中能按設計要求正常工作。根據電磁兼容原理，下列外界電磁場(chǎng)干擾源可以侵入信號設備系統，并危害計算機設備、設施(包括網(wǎng)絡(luò ))及其它媒體的安全：①雷電電磁脈沖LEMP(Lightning Electromagnetic Pulse);②電網(wǎng)操作過(guò)電壓SEMP(Switching Electromagnetic Pulse or Switching Transients);③靜電放電ESD(Electro-Static Dischargs);④核電磁脈沖NEMP(Nuclear Electromagnetic Pulse);⑤微波輻射WR(Microwave Radiation)。其中，雷電電磁脈沖是自然環(huán)境中最重要的，也是功率最大而人力不能消除的干擾源。因此只能盡量采取適當的措施，減少其對信號設備系統的危害。目前較為適當的措施就是電磁兼容和綜合防雷技術(shù)。

1.3 信號設備電磁兼容和綜合防雷

電氣、電子設備的綜合防雷技術(shù)包括防雷和防止其他電磁場(chǎng)對微電子設備的干擾，是目前公認的最有效的防護方法。綜合防雷是一個(gè)系統工程，對于建筑物內的電氣電子設備，綜合防雷技術(shù)包括外部防護、內部防護和在電氣電子設備端口裝置浪涌保護器等措施。建筑物外部防護由直擊雷防護系統組成，建筑物外部防護的目的是在建筑物遭受雷擊時(shí)，減小入地雷電流產(chǎn)生的電磁感應對室內電氣電子設備的影響，內部防護由磁場(chǎng)屏蔽(建筑物空間屏蔽和內部線(xiàn)路屏蔽)、合理布線(xiàn)、等電位連接組成，目的是在建筑物近旁遭受雷擊時(shí)，阻擋大氣中雷電電磁脈沖侵入室內。當建筑物近旁或遠端遭受雷擊時(shí)，信號設備的電源線(xiàn)路信號傳輸線(xiàn)路可能受雷電電磁場(chǎng)感應，雷電電磁脈沖沿其侵入室內信號設備造成雷害。設置浪涌保護器的目的是將入侵的雷電流一部分泄放到地下，并將雷電壓鉗制到信號設備耐雷電沖擊安全水平以下。當建筑物遭受雷擊而地電位上升時(shí)，信號設備的電源線(xiàn)路、信號傳輸線(xiàn)與地線(xiàn)間有一較高的電位差，設置浪涌保護器可以均衡電源線(xiàn)路、信號傳輸線(xiàn)路與地線(xiàn)間的電位。外部防護、內部防護及浪涌保護器都共同使用了一個(gè)良好的接地網(wǎng)。因此客運專(zhuān)線(xiàn)在信號機房建筑物設計時(shí)應當按照國家標準“GB/T 21714.4-2008雷電防護第4部分：建筑物內電氣和電子系統”的要求，設置外部防雷系統、內部防雷系統和地網(wǎng)。

軌邊的信號設備，應當安置在接地的金屬箱盒內。對于客運專(zhuān)線(xiàn)，這些金屬箱盒內應當與由綜合接地系統的貫通地線(xiàn)良好連接，并在箱盒內設置接地匯流排和安裝浪涌保護器。1.4 正確選用和安裝浪涌保護器(SPD)

在國家標準“GB/T 21714.4—2008雷電防護 第4部分：建筑物內電氣和電子系統”中，特別強調了安裝能量協(xié)調配合的浪涌保護器。浪涌保護器安裝在線(xiàn)路和設備端口，必須滿(mǎn)足浪涌保護器的保護水平Up小于設備的雷電耐受電壓水平Uw的要求即Up