客運專線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，提出客運專線在建設時應當同步建設綜合接地系統和建設綜合防雷系統。標志著中國鐵路高速時代到來的客運專用線大規(guī)模建設正蓬勃開展，它為通信信號、列車控制、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，必須研究客運專用線信號設備的雷電防護和電磁兼容問題，以確保信號設備全天候安全運行和列車安全正點運營。

一、客運專線信號設備的電磁兼容和綜合防雷

1.1 過電壓對微電子設備的危害

這里所說的“過電壓”是指可能對電子設備造成損害或使電子設備失效，超過電子設備所能耐受的電壓。過電壓是一個相對的概念，對于機電設備而言，幾百伏甚至數千伏的電壓是“過電壓”，但是對于微電子設備，有時十幾伏就算是“過電壓”了。美國IEEE工業(yè)應用學會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(guī)模集成電路芯片的破壞能量僅為10-8J，這是一個十分小的數字。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，可見大規(guī)模集成電路芯片的耐過電壓能力十分微弱。中國鐵道科學研究院通信信號研究所經過大量試驗發(fā)現：用8/20μs波形測試時，有的大規(guī)模集成電路芯片的擊穿電壓僅在十多伏的量級。電氣設備過電壓損害電氣電子設備的實質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(guī)模集成電路芯片，很低的過電壓會將集成電路芯片中的場效應二極管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，無線電射頻干擾、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(xù)惡化。而與此同時，電子設備小型化對干擾的防衛(wèi)能力降低，從前不會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”是一門關于防止電磁干擾(EMI)的專門學科。它有2個含義：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(包括網絡)及其它媒體的安全：①雷電電磁脈沖LEMP(Lightning Electromagnetic Pulse);②電網操作過電壓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。

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包括防雷和防止其他電磁場對微電子設備的干擾，是目前公認的最有效的防護方法。綜合防雷是一個系統工程，對于建筑物內的電氣電子設備，綜合防雷技術包括外部防護、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，減小入地雷電流產生的電磁感應對室內電氣電子設備的影響，內部防護由磁場屏蔽(建筑物空間屏蔽和內部線路屏蔽)、合理布線、等電位連接組成，目的是在建筑物近旁遭受雷擊時，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，信號設備的電源線路信號傳輸線路可能受雷電電磁場感應，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，信號設備的電源線路、信號傳輸線與地線間有一較高的電位差，設置浪涌保護器可以均衡電源線路、信號傳輸線路與地線間的電位。外部防護、內部防護及浪涌保護器都共同使用了一個良好的接地網。因此客運專線在信號機房建筑物設計時應當按照國家標準“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。

軌邊的信號設備，應當安置在接地的金屬箱盒內。對于客運專線，這些金屬箱盒內應當與由綜合接地系統的貫通地線良好連接，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調配合的浪涌保護器。浪涌保護器安裝在線路和設備端口，必須滿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