電子信號(hào)設(shè)備防雷技術(shù)應(yīng)用探討

鞏月琴 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司徐州電務(wù)段

隨著現(xiàn)代鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，大量精密電子設(shè)備應(yīng)用于鐵路之中，如CTC、TDCS等等。然而因雷電造成的鐵路信號(hào)電子設(shè)備的損壞，其影響范圍大，短時(shí)間內(nèi)不易恢復(fù)，對(duì)行車安全容易造成非常不利的影響。如何將雷電對(duì)鐵路信號(hào)電子設(shè)備的危害降至最低，是現(xiàn)今探索的重要議題。

1 雷電對(duì)鐵路信號(hào)電子設(shè)備的主要干擾途徑

由電源供電線路入侵，電子設(shè)備的電源由電力線路引入室內(nèi)，電力線路可能遭受直擊雷和感應(yīng)雷。直擊雷擊中高壓電力線路，經(jīng)過變壓器耦合到低壓側(cè)，入侵為電子設(shè)備供電的設(shè)備；另外，低壓線路也可能被直擊雷擊中或感應(yīng)產(chǎn)生雷電過電壓。

（1）電子設(shè)備通過電源線、通信線和地線三個(gè)環(huán)節(jié)與外界連接，如圖1所示，由信息系統(tǒng)傳輸線路入侵，地面突出物遭雷擊時(shí)，雷電流直接入侵到電纜外皮，進(jìn)而擊穿電纜外皮絕緣，使高壓入侵信號(hào)傳輸線路。

圖1 電子設(shè)備連接情況

（2）地電位反擊電壓通過接地體入侵，雷擊時(shí)強(qiáng)大的雷電流經(jīng)過引下線和接地體泄入大地，在接地體附近呈現(xiàn)放射型的電位分布，若有連接電子設(shè)備的其他接地體靠近，即產(chǎn)生高壓地電位反擊。

2 現(xiàn)代防雷技術(shù)特點(diǎn)

現(xiàn)代防雷技術(shù)的理論基礎(chǔ)在于：閃電是電流源，防雷的基本途徑就是要提供一條雷電流（包括雷電電磁脈沖輻射）對(duì)地泄放的合理的阻抗路徑，而不能讓其隨機(jī)性選擇放電通道，簡言之就是要控制雷電能量的泄放與轉(zhuǎn)換。德國專家希曼斯基在《過電壓保護(hù)理論與實(shí)踐》中提出了現(xiàn)代防雷保護(hù)的三道防線：

（1）外部保護(hù)——將絕大部分雷電流直接引入大地泄散；

（2）內(nèi)部保護(hù)——阻塞沿電源線、數(shù)據(jù)線或信號(hào)線侵入的雷電波危害設(shè)備；

（3）過電壓保護(hù)——限制被保護(hù)設(shè)備上的雷電過電壓幅值。

這三道防線相互配合，各盡其職，缺一不可。在此基礎(chǔ)上提出雷電的防護(hù)可分為兩方面：即直擊雷的防護(hù)和感應(yīng)雷的防護(hù)。

①直擊雷的防護(hù)

防直擊雷都是采用避雷針、避雷帶、避雷線或避雷網(wǎng)作為閃接器，然后通過良好的接地裝置迅速而安全把雷電流直接引入大地泄散

②感應(yīng)雷的防護(hù)

感應(yīng)雷的防護(hù)是從整體上或在系統(tǒng)中建立起三維的防護(hù)體系，主要是在被保護(hù)設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)中采取以下措施：

A、電源防雷：配電系統(tǒng)電源防雷應(yīng)采用三級(jí)防護(hù)，避雷針采用的是（B、C、D）三級(jí)防雷的方式。第一級(jí)保護(hù)（B級(jí)）一般安裝在建筑物輸入電源總配電室內(nèi)的進(jìn)線配電柜上，主要用于保護(hù)整幢建筑物用電設(shè)備。第二級(jí)保護(hù)（C級(jí)）主要安裝在設(shè)備配電柜上。第三級(jí)保護(hù)（D級(jí)）主要安裝于各個(gè)用電設(shè)備的電源端，用于保護(hù)最終端的用電設(shè)備。

B、信號(hào)系統(tǒng)防雷：與電源防雷一樣，信號(hào)系統(tǒng)的防雷主要采用通信避雷器防雷，將避雷器串聯(lián)或并聯(lián)在通信線路上。

C、等電位連接：等電位連接是將正常不帶電的、未接地或未良好接地設(shè)備的金屬外殼、電纜的金屬外皮、建筑物的金屬構(gòu)架、金屬管線的橋架與接地系統(tǒng)作電氣連接，防止在這些物件上由于感應(yīng)雷電高電壓或接地裝置上雷電入地高電位的傳遞造成對(duì)設(shè)備內(nèi)部絕緣、電纜芯線的反擊。

D、金屬屏蔽及重復(fù)接地：在做好以上措施的基礎(chǔ)上，還應(yīng)采用有效屏蔽、重復(fù)接地等辦法，避免架空導(dǎo)線直接進(jìn)入建筑物內(nèi)的配電系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)，盡可能采用埋地電纜引入，并用金屬導(dǎo)管屏蔽，屏蔽金屬管在進(jìn)入建筑物或機(jī)房前重復(fù)接地，最大限度衰減從各種線纜上引入的雷電高電壓。

3 鐵路信號(hào)電子設(shè)備實(shí)施防雷方法

3.1 防止由線路進(jìn)入的過電壓

為了防止雷電波侵入電子設(shè)備機(jī)房內(nèi)而造成設(shè)備損壞，所有引入計(jì)算機(jī)機(jī)房的線路宜全線采用電纜埋地或穿金屬管埋地引入。當(dāng)難于全線埋設(shè)電纜或穿金屬管敷設(shè)時(shí)，允許用長度不小于15 m的金屬鎧裝電纜或全塑電纜穿金屬管埋地引入，兩端金屬外護(hù)套良好接地。由于雷電流屬于高頻電流，會(huì)使大部分電流散入地中，使到機(jī)房設(shè)備的雷電流減小，過電壓降低。

機(jī)房內(nèi)設(shè)備或系統(tǒng)對(duì)外所連的電源線、信號(hào)線等都應(yīng)安裝具有較強(qiáng)防雷電過電壓保護(hù)的器件。如圖2，無論是由通信線還是由電源線侵入到機(jī)房的高能量沖擊波，都會(huì)被瞬間電壓抑制器限制到設(shè)備所允許的范圍內(nèi)。

圖2 機(jī)房內(nèi)設(shè)備或系統(tǒng)對(duì)外所連的電源線、信號(hào)線的情況

3.2 電子設(shè)備機(jī)房配電系統(tǒng)改進(jìn)措施

電子設(shè)備機(jī)房配電系統(tǒng)一般采用三相五線和單相三線供電方式，由于電力線是采用戶外線路直接引入為計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)提供有效的能源支持，故電力線是重要的引雷途徑。因此，要求電力線屏蔽埋地引入。在電子設(shè)備機(jī)房內(nèi)的不間斷電源輸出端的電力配電箱中，安裝一級(jí)吸收感應(yīng)雷電過電壓的半導(dǎo)體過電壓保護(hù)器。在重要的終端（如小型機(jī)、服務(wù)器、高速打印機(jī)、系統(tǒng)前置機(jī)、通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等）實(shí)施終端末級(jí)防雷保護(hù)。

3.3 傳輸網(wǎng)絡(luò)的雷電保護(hù)

電子設(shè)備機(jī)房網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)雷電防護(hù)包括廣域網(wǎng)雷電防護(hù)、局域網(wǎng)雷電防護(hù)雷電防護(hù)、光纜通信雷電防護(hù)和機(jī)房內(nèi)部設(shè)備之間的串口雷電防護(hù)等。

（1）廣域網(wǎng)雷電防護(hù)

廣域網(wǎng)線路一般為通信提供的線路，從戶外引進(jìn)機(jī)房，為雷電的重點(diǎn)襲擊對(duì)象。在進(jìn)入機(jī)房設(shè)備前端應(yīng)安裝具備二級(jí)防護(hù)的防雷保護(hù)器，第一級(jí)應(yīng)為火花間隙保護(hù)器，通過RLC解耦后，進(jìn)入第二級(jí)半導(dǎo)體過電壓保護(hù)器。需要防護(hù)線與線之間、線與大地之間的雷電入侵，保護(hù)器的損耗指標(biāo)應(yīng)該適應(yīng)電子設(shè)備的有關(guān)要求。

光纜一般不會(huì)傳導(dǎo)雷電，但光纜金屬護(hù)套和金屬芯線可能引入雷電損壞設(shè)備，光纜通信系統(tǒng)的金屬吊掛鋼纜線、光纜內(nèi)的加強(qiáng)筋，在進(jìn)戶處應(yīng)做好等電位連接后接地。帶有一對(duì)或幾對(duì)金屬線的光纜，金屬線部分應(yīng)加裝新號(hào)線路浪涌防護(hù)器。必須在進(jìn)入設(shè)備之前，使芯線和護(hù)套接地，以達(dá)到防止雷電感應(yīng)過電壓引入的目的。

（2）局域網(wǎng)的雷電防護(hù)

電子設(shè)備機(jī)柜內(nèi)部計(jì)算機(jī)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是局域網(wǎng)雷電防護(hù)的重要部分。局域網(wǎng)雷電防護(hù)的重點(diǎn)是做好局域網(wǎng)網(wǎng)線的屏蔽，同時(shí)加強(qiáng)終端設(shè)備局域網(wǎng)端口的雷電防護(hù)。局域網(wǎng)的網(wǎng)口應(yīng)采取雷電防護(hù)措施，服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、集線器等端口應(yīng)加設(shè)專用防雷器。對(duì)于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)線路的防護(hù)（如：長線收發(fā)器（KVM））使用LQ-RJ45/5浪涌保護(hù)器，抵御雷電帶來的損壞，LQ-RJ45/5浪涌保護(hù)器電氣工作原理如圖3。

圖3 LQ-RJ45/5浪涌保護(hù)器電氣工作原理

4 結(jié)束語

雷電對(duì)鐵路信號(hào)電子設(shè)備影響較大，除按上述方法增設(shè)防雷措施外，還應(yīng)做好電子設(shè)備軟件、硬件備品備件的應(yīng)急儲(chǔ)備工作，防患于未然，同時(shí)加強(qiáng)雷雨季節(jié)的電子設(shè)備的日常巡視工作，多點(diǎn)結(jié)合，全面提高鐵路信號(hào)電子設(shè)備的運(yùn)用質(zhì)量，從而保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩€(wěn)定。