客運專線信號雷電防護(hù)和電磁兼容初探

集裝箱中繼站的防雷和綜合接地系統(tǒng)的特點，提出客運專線在建設(shè)時應(yīng)當(dāng)同步建設(shè)綜合接地系統(tǒng)和建設(shè)綜合防雷系統(tǒng)。標(biāo)志著中國鐵路高速時代到來的客運專用線大規(guī)模建設(shè)正蓬勃開展，它為通信信號、列車控制、調(diào)度指揮等提出了新的要求。而這些系統(tǒng)設(shè)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(shè)備的雷電防護(hù)和電磁兼容問題，以確保信號設(shè)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(shè)備的電磁兼容和綜合防雷

1.1 過電壓對微電子設(shè)備的危害

這里所說的“過電壓”是指可能對電子設(shè)備造成損害或使電子設(shè)備失效，超過電子設(shè)備所能耐受的電壓。過電壓是一個相對的概念，對于機(jī)電設(shè)備而言，幾百伏甚至數(shù)千伏的電壓是“過電壓”，但是對于微電子設(shè)備，有時十幾伏就算是“過電壓”了。美國IEEE工業(yè)應(yīng)用學(xué)會公布的半導(dǎo)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(xiàn)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(shù)字。比較電源二極管和數(shù)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(xué)研究院通信信號研究所經(jīng)過大量試驗發(fā)現(xiàn)：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(shè)備過電壓損害電氣電子設(shè)備的實質(zhì)是電氣設(shè)備絕緣擊穿、燒毀，電子設(shè)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(yīng)二極管PN結(jié)擊穿或?qū)㈦娮杌螂娙莸募蓡卧獡舸?，造成元件損壞。

表1 半導(dǎo)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(tǒng)的工作和故障干擾，無線電射頻干擾、工業(yè)設(shè)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(shè)備小型化對干擾的防衛(wèi)能力降低，從前不會對設(shè)備造成損害的較小的電磁干擾，現(xiàn)在都有可能損壞微電子設(shè)備。為了減小惡劣電磁環(huán)境對電子設(shè)備的危害，必須考慮電磁兼容。

“電磁兼容”是一門關(guān)于防止電磁干擾(EMI)的專門學(xué)科。它有2個含義：一是電力、電子系統(tǒng)和電氣、電子設(shè)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(nèi)，任何設(shè)備不能成為影響其他設(shè)備的干擾源，同時也應(yīng)避免被其他設(shè)備所干擾;二是電力系統(tǒng)、電子系統(tǒng)和電氣、電子設(shè)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(shè)計要求正常工作。根據(jù)電磁兼容原理，下列外界電磁場干擾源可以侵入信號設(shè)備系統(tǒng)，并危害計算機(jī)設(shè)備、設(shè)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(dāng)?shù)拇胧?，減少其對信號設(shè)備系統(tǒng)的危害。目前較為適當(dāng)?shù)拇胧┚褪请姶偶嫒莺途C合防雷技術(shù)。

1.3 信號設(shè)備電磁兼容和綜合防雷

電氣、電子設(shè)備的綜合防雷技術(shù)包括防雷和防止其他電磁場對微電子設(shè)備的干擾，是目前公認(rèn)的最有效的防護(hù)方法。綜合防雷是一個系統(tǒng)工程，對于建筑物內(nèi)的電氣電子設(shè)備，綜合防雷技術(shù)包括外部防護(hù)、內(nèi)部防護(hù)和在電氣電子設(shè)備端口裝置浪涌保護(hù)器等措施。建筑物外部防護(hù)由直擊雷防護(hù)系統(tǒng)組成，建筑物外部防護(hù)的目的是在建筑物遭受雷擊時，減小入地雷電流產(chǎn)生的電磁感應(yīng)對室內(nèi)電氣電子設(shè)備的影響，內(nèi)部防護(hù)由磁場屏蔽(建筑物空間屏蔽和內(nèi)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(nèi)。當(dāng)建筑物近旁或遠(yuǎn)端遭受雷擊時，信號設(shè)備的電源線路信號傳輸線路可能受雷電電磁場感應(yīng)，雷電電磁脈沖沿其侵入室內(nèi)信號設(shè)備造成雷害。設(shè)置浪涌保護(hù)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(shè)備耐雷電沖擊安全水平以下。當(dāng)建筑物遭受雷擊而地電位上升時，信號設(shè)備的電源線路、信號傳輸線與地線間有一較高的電位差，設(shè)置浪涌保護(hù)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(hù)、內(nèi)部防護(hù)及浪涌保護(hù)器都共同使用了一個良好的接地網(wǎng)。因此客運專線在信號機(jī)房建筑物設(shè)計時應(yīng)當(dāng)按照國家標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 21714.4-2008雷電防護(hù)第4部分：建筑物內(nèi)電氣和電子系統(tǒng)”的要求，設(shè)置外部防雷系統(tǒng)、內(nèi)部防雷系統(tǒng)和地網(wǎng)。

軌邊的信號設(shè)備，應(yīng)當(dāng)安置在接地的金屬箱盒內(nèi)。對于客運專線，這些金屬箱盒內(nèi)應(yīng)當(dāng)與由綜合接地系統(tǒng)的貫通地線良好連接，并在箱盒內(nèi)設(shè)置接地匯流排和安裝浪涌保護(hù)器。1.4 正確選用和安裝浪涌保護(hù)器(SPD)

在國家標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 21714.4—2008雷電防護(hù) 第4部分：建筑物內(nèi)電氣和電子系統(tǒng)”中，特別強(qiáng)調(diào)了安裝能量協(xié)調(diào)配合的浪涌保護(hù)器。浪涌保護(hù)器安裝在線路和設(shè)備端口，必須滿足浪涌保護(hù)器的保護(hù)水平Up小于設(shè)備的雷電耐受電壓水平Uw的要求即Up