1、铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护摘要：随着铁路信号设备向数字化、网络化、智能化和综合化方向发展，大规模集成电路和低耐压器件在信号设备中大量使用，电磁兼容、雷电所带来的危害越来越大，对雷电的防护已成为保证铁路安全运输的重要问题。本文主要铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护来进行分析。关键词：铁路信号；信号设备；雷电防护；电磁兼容防护 中图分类号：U231 文献标识码： A 引言 标志着中国铁路高速时代到来的铁路的大规模建设正蓬勃开展，它为通信信号、列车控制、调度指挥等系统设备提出了新的更高的要求。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，必须研究铁路信号设备的雷电
2、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。 1、铁路信号设备的电磁兼容 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，几百伏甚至数千伏的电压是“过电压” ，但对于微电子设备，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阈值如表 1 所示。从中可以看出，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，竟然相差 108 倍，可见大规模集成电路芯片的耐过电压能力是十分弱的。中国铁道科学研究院通信信
3、号研究所经过大量试验发现，用 8，/20s 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。 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都会造成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，使从前不会对设备造成损害的较小的电磁干扰，都有可能损坏微电子设备。所以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(EMl)，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
4、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、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。 2、改善计算机设备所处场地的电磁环境 2.1、建筑物防护 雷击时，建筑物外部和内部都可诱导出雷电浪涌。内部雷电浪涌既可由建筑物接地终端系统的常规接地阻抗或电缆屏蔽层电阻产生(通常称为反击)，也可由电气或电子系统线路构成的回路或搭接导体的电感产生，还可由雷电通道内流过的雷电流以及导体(如直击雷防护系统的引下线)中流过的雷电流感应耦合产生。 建筑物的外部防
5、护仍然采用传统的避雷针。含无线电发射天线的建筑物，应当设置避雷针以防止雷电直击天线设备。建筑物的内部防护包含空间屏蔽、接地和搭接。 (1)空间屏蔽 衰减了雷电直接击中建筑物或建筑物附近而在建筑物内部产生的磁场，并减少了内部雷电浪涌。空间屏蔽有 2 方面，一方面是建筑物或机房本身的屏蔽，最好的办法是用建筑物的自然构件组成，例如天花板、墙和地板中的金属加强钢筋、金属框架、金属屋顶和金属墙面等，构成了格栅型的空间屏蔽。屏蔽后，电子系统只需安置在距屏蔽有一定安全距离的安全空间；另一方面是合理布线和线路屏蔽。合理的线路布放可以使感应回路面积为最小，采用屏蔽电缆或电缆管道可以将电磁场部分屏蔽，减小内部感应
6、影响，从而减小了电子系统内的感应雷电浪涌。 (2)接地 新建电子设备机房建筑物的接地系统，应采用共用接地。最常见的做法是利用建筑物基础钢筋地网或桩基网作为共用接地系统的基础接地装置，并在建筑物四周距基础接地装置 1m 处设环行接地体。基础接地体和环行接地体在地下至少有 4 处相连。值得注意的是，钢筋混凝土建筑物的墙面钢筋网既作为格栅形空间屏蔽，也兼作直击雷防护系统的引下线系统。建筑物如共用一个接地系统，则必须有地网构成的接地终端系统，而不是将几个功能性接地装置连接在一起的共地系统。改建电子设备机房建筑物，若没有共用接地系统条件的应另设一组接地体用作保护接地。 (3)搭接 将建筑物内部各系统所有
7、导体部件(通电的导体除外)与接地终端系统相互连接并构成网络，其理论根据是等电位防护。相互搭接的金属，处于宏观上的等电位状态。对于电子信号系统设备，其与接地系统的搭接应当按照国际电信联盟的建议 ITU-TK127 和国际电工委员会标准IEC62305-4 要求，按星形结构(S 形结构)做等电位搭接。图 3 是电子设备可选的 3 种搭接方式。 2.2、室外设备雷电电磁环境的改善 (1)将室外信号系统设备置于与大地连接的金属箱、盒(最好是铁质)内，金属箱、盒必须良好接地，使得信号系统处于雷电电磁脉冲屏蔽中。(2)与信号系统设备的连接采用屏蔽电缆，电缆屏蔽必须良好接地，或者非屏蔽电缆穿金属管敷设，金属
8、管与土壤直接接触。 (3)在室外信号系统设备集中的区域安装避雷针，防止雷电直击设备本身、电缆和轨道。避雷针的安装位置必须考虑能够避免站场内的信号系统设备遭受雷击，还要防止避雷针引雷后的雷电感应。尤其避雷针的地线一定要与站场内的钢轨、电缆径路有一定的安全距离(一般大于 20m)，以避免雷电反击。 3、安装防雷保安器 铁道行业标准 TB/T3074-2003铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件和 TB10007-99铁路信号设计规范规定，所有与外线或钢轨连接的含电子器件的信号设备，在线路与设备的端口处应当装设专用防雷保安器(也称防雷单元，它是浪涌保护器 SPD 的一种，可以限制瞬态过压以及分流浪涌
9、电流，并至少包含 1 个非线性元件)。一般可对电源从室外进入室内的界面做第 1 级粗防护，泄放大部分雷电流；在机房电源，即电源屏等前做第 2 级粗防护或细防护；最后对用电设备，在 UPS 前做第3 级细防护。由于第 3 级细防护的保护对象直接是信号设备电源，因此要求细防护保安器在雷击时残压较低，TB/T3074-2003 规定，在实验室用3kA，8/20Ls 波形测试时应小于 500V。 原则上，信号电缆与信号设备的界面应当都设置防雷保安器。由于车站信号设备的进线很多，建议在电缆进入信号楼时，设置防雷柜集中防护，以便维护、更换和有问题时查找故障。防雷柜中的防雷保安器可以采用单级或多级，最后的残
10、压应当限制在被保护信号设备端口的耐过电压水平以下。ITU-TK20 和 K21 建议，有条件的信号设备本身应当在内部设置防雷单元，以增加信号设备本身的抗扰度。防雷保安器接入信号系统后，不得改变原信号系统的性能，不得影响被防护设备的工作，受雷电电磁脉冲干扰时，应保证信号设备不得造成进路错误解锁、道岔错误转换、信号错误开放等。 结束语 铁路的综合防雷和普速铁路比较，信号设备系统的耐雷电能力更弱，考虑的防护重点也有差异，有一定的特殊性。因此应当有一套铁路的电磁兼容和综合防雷的规范。相信通过在实践中不断总结经验，一定会将铁路的电磁兼容和综合防雷做得更好，以确保铁路的安全运行。 参考文献 1李惠卿.铁路信号设备的电磁兼容设计J.铁路通信信号工程技术,2009,06:45-46. 2李永毅,傅茂金,邱传睿.铁路信号设备的雷电综合防护体系J.铁道通信信号,2005,09:1-3. 3付茂金.客运专线信号设备雷电防护和电磁兼容研究J.铁道通信信号,2008,12:5-7.
