【導(dǎo)讀】本文討論了客運(yùn)專線信號設(shè)備雷害及綜合防雷技術(shù)在客運(yùn)專線信號設(shè)備中實(shí)施的必要性和可行性，并討論了集裝箱中繼站的防雷和綜合接地系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出客運(yùn)專線在建設(shè)時(shí)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(shí)代到來的客運(yùn)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。
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(yùn)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(yùn)行和列車安全正點(diǎn)運(yùn)營。
一、客運(yùn)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(gè)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(shí)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(gè)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(yàn)發(fā)現(xiàn)：用8/20μs波形測試時(shí)，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(shí)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斐稍p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(shí)，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(gè)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(shí)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(jì)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(jì)算機(jī)設(shè)備、設(shè)施(包括網(wǎng)絡(luò))及其它媒體的安全：
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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)拇胧瑴p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(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(gè)良好的接地網(wǎng)。因此客運(yùn)專線在信號機(jī)房建筑物設(shè)計(jì)時(shí)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(yùn)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
選擇SPD適當(dāng)?shù)碾妷罕Ｗo(hù)水平時(shí)，還要考慮SPD的連接線長度。當(dāng)SPD與被保護(hù)設(shè)備連接時(shí)，連接導(dǎo)線的感應(yīng)電壓降ΔU將與SPD的電壓保護(hù)水平UP疊加。實(shí)際的保護(hù)水平Up/f定義為SPD的實(shí)際輸出電壓，它是SPD的保護(hù)水平和連接線的電壓降之和(圖1)。
國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62305-4《雷電防護(hù) 第4部分：建筑物內(nèi)電氣和電子系統(tǒng)》的2008年修訂版認(rèn)為，限壓型SPD的Up/f=UP+ΔU。SPD流過雷電流時(shí)，若連接導(dǎo)線的長度≤1m，每米長度的導(dǎo)線電感為1μH，對于電源SPD，當(dāng)流過雷電流時(shí)，1m線路上的ΔU可以達(dá)到1kV，對于智能電源屏，1kV ΔU加上1kV以上的UP可能是災(zāi)難性的。只有在充分滿足Up/f≤UW，即SPD與設(shè)備間的導(dǎo)線長度可以忽略時(shí)，內(nèi)部系統(tǒng)才得到保護(hù)。因此，除了在電源線進(jìn)入建筑物處安裝第1級電源SPD外，在智能電源屏內(nèi)盡量靠近被保護(hù)單元或器件還要設(shè)置一級UP極低的SPD，連接線應(yīng)當(dāng)極短。
二、集裝箱中繼站的防雷考慮
在客運(yùn)專線，信號系統(tǒng)大量的采用了集裝箱中繼站。集裝箱中繼站為鐵質(zhì)，由于鐵磁物質(zhì)對磁場的良好衰耗，鐵質(zhì)集裝箱成了一個(gè)較好的磁屏蔽體。集裝箱內(nèi)的信號設(shè)備處于良好的雷電電磁環(huán)境中，集裝箱的雷電防護(hù)主要防止直擊雷對集裝箱的機(jī)械損壞和傳導(dǎo)雷對箱內(nèi)信號設(shè)備的損害。
為了防止雷電直擊集裝箱中繼站，條件許可時(shí)，應(yīng)盡量將集裝箱安置不易遭受直擊雷的位置，如高架橋下，安置在空曠地帶的集裝箱應(yīng)當(dāng)在箱體上設(shè)置避雷帶和在箱體頂面設(shè)置小短避雷針，以避免雷擊箱面時(shí)造成機(jī)械損壞。一般采用滾球法計(jì)算小短避雷針的設(shè)置位置和高度。小短避雷針的高度應(yīng)滿足集裝箱中繼站的運(yùn)輸條件。
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進(jìn)入箱體的電源線應(yīng)當(dāng)設(shè)置符合能量配合要求的SPD，由于客運(yùn)專線電源線都為地下電纜引入，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 21714.1—2008雷電防護(hù)1部分：總則”的描述，建筑物附近雷擊在電源線上的感應(yīng)電流或雷電傳導(dǎo)進(jìn)入建筑物內(nèi)電源線的電流期望最大值為5kA(8/20μs波形)，因此，集裝箱中繼站的第1級電源防雷設(shè)備可選用8/20μs波形測試時(shí)標(biāo)稱電流為10kA的SPD，在雷害嚴(yán)重地區(qū)最多選用8/20μs波形測試時(shí)標(biāo)稱電流為20kA的SPD。由于集裝箱面積狹小，電源系統(tǒng)不適于多位置安裝防雷設(shè)備，因此選用Up低的SPD至為關(guān)鍵。
信號線進(jìn)入集裝箱時(shí)的分線柜，應(yīng)當(dāng)采用防雷型分線柜，同樣的理由，防雷型分線柜的SPD不宜選用標(biāo)稱電流大的SPD，而特別要注意按照電子設(shè)備的雷電耐受能力UW選用信號設(shè)備用SPD的Up。
集裝箱應(yīng)安置在有良好地網(wǎng)臺墩上，集裝箱四角必須地網(wǎng)連接，集裝箱地網(wǎng)應(yīng)當(dāng)與綜合接地系統(tǒng)在地下連接。集裝箱內(nèi)應(yīng)當(dāng)設(shè)備供SPD接地的接地匯流排，進(jìn)入箱內(nèi)的第1級電源防護(hù)SPD接地，應(yīng)當(dāng)單獨(dú)設(shè)置接地匯流排。集裝箱內(nèi)的信號機(jī)柜可以直接固定在集裝箱箱體上。
三、綜合接地系統(tǒng)
鐵路設(shè)備及設(shè)施的接地系統(tǒng)工程十分復(fù)雜，過去普速鐵路都是各專業(yè)地線分別設(shè)置。而客運(yùn)專線牽引電流高，車流密度大，其高牽引電流要有一定的連續(xù)性。因此在客運(yùn)專線，將沿線一定范圍內(nèi)的牽引供電系統(tǒng)、電力供電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及其他電子信息系統(tǒng)、建筑物、道床、站臺、橋梁、隧道、聲屏障等設(shè)備的接地系統(tǒng)，通過貫通地線連成一體化的接地系統(tǒng)，即綜合接地系統(tǒng)。由于客運(yùn)專線的綜合接地系統(tǒng)是一個(gè)整體，它提高了接地系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，接地性能好，能夠滿足各系統(tǒng)設(shè)備防雷、電磁兼容、人身保護(hù)、計(jì)算機(jī)邏輯等電位連接等要求。目前，歐洲鐵路普遍采用綜合接地系統(tǒng)。
將各子系統(tǒng)連為一體的貫通地線的敷設(shè)，應(yīng)便于設(shè)備、設(shè)施就近接入和工程實(shí)施，并根據(jù)不同區(qū)段回流的分布情況綜合考慮貫通地線截面積，正常情況下應(yīng)滿足流過貫通地線最大牽引回流需要和接觸網(wǎng)短路(短路時(shí)間按不大于100ms計(jì))時(shí)通過瞬間大電流熱穩(wěn)定的要求。貫通地線應(yīng)有良好的導(dǎo)電性和可靠性，耐腐蝕并符合環(huán)保要求。
四、結(jié)束語
客運(yùn)專線的綜合防雷和普速鐵路比較，信號設(shè)備系統(tǒng)的耐雷電能力更弱，考慮的防護(hù)重點(diǎn)也有差異，有一定的特殊性。因此應(yīng)當(dāng)有一套客運(yùn)專線的電磁兼容和綜合防雷的規(guī)范(目前已有防雷箱和防雷分線柜標(biāo)準(zhǔn))相信我們在實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，一定能將客運(yùn)專線的電磁兼容和綜合防雷做的更好，確保客運(yùn)專線的安全運(yùn)行。
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