客运专线信号雷电防护和电磁兼容初探

集装箱中继站的防雷和综合接地系统的特点，提出客运专线在建设时应当同步建设综合接地系统和建设综合防雷系统。标志着中国铁路高速时代到来的客运专用线大规模建设正蓬勃开展，它为通信信号、列车控制、调度指挥等提出了新的要求。而这些系统设备采用的大量微电子器件，对雷电和电气化干扰电压极为敏感。因此，必须研究客运专用线信号设备的雷电防护和电磁兼容问题，以确保信号设备全天候安全运行和列车安全正点运营。

一、客运专线信号设备的电磁兼容和综合防雷

1.1 过电压对微电子设备的危害

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