建筑物內(nèi)電子設(shè)備抗雷擊電磁脈沖措施的研究

邵 田 上海鐵路局徐州電務(wù)段(同濟(jì)大學(xué))

隨著我國鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，鐵路信號(hào)技術(shù)逐漸數(shù)字化、電子化和集成化，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、CTC/TDCS調(diào)度指揮系統(tǒng)、CTCS列車自動(dòng)控制系統(tǒng)等都采用了大量的微電子電路。然而，以雷電沖擊為代表的過電壓危害每年都會(huì)造成大量的電子設(shè)備故障，給行車秩序、安全帶來了的隱患。

1 事故概況

2012年7月5日，虞城地區(qū)天氣雷雨，6:20虞城縣站CTC車務(wù)終端顯示器突然黑屏，且不能轉(zhuǎn)為非常站控模式，8:40恢復(fù)，故障延時(shí)140 min，影響客車5列、貨車1列。

2 原因分析

電務(wù)段搶險(xiǎn)小組攜帶備品對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行了修復(fù)，對(duì)更換下來的計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)備是遭受到高電壓沖擊造成計(jì)算機(jī)接口板損壞。虞城縣站信號(hào)樓是2004年電氣化改造時(shí)建設(shè)的，房屋外部裝有防雷地線。通過仔細(xì)查看現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)信號(hào)樓頂?shù)囊桓ㄐ盘炀€，在未采取任何防雷安全措施情況下，連接到了室內(nèi)的通信無線電設(shè)備。經(jīng)過分析，工作人員認(rèn)為強(qiáng)雷電在信號(hào)樓周圍產(chǎn)生強(qiáng)大電磁場，通信天線在此種環(huán)境下感應(yīng)出高電壓進(jìn)入室內(nèi)，通過再次沖擊造成CTC車務(wù)終端、微機(jī)聯(lián)鎖終端接口板及鼠標(biāo)損壞。

3 雷擊電磁脈沖

雷擊電磁脈沖是指雷電直接擊在建筑物防雷裝置或建筑物附近所引起的效應(yīng)，它是一種能量沖擊，對(duì)供配電系統(tǒng)中的電氣設(shè)備威脅不大，但對(duì)于低壓信息系統(tǒng)設(shè)備的正常工作影響很大，嚴(yán)重威脅電子設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。

3.1 室內(nèi)外防雷分區(qū)劃分

雷電防護(hù)區(qū)的劃分是將需要保護(hù)和控制雷電電磁脈沖環(huán)境的建筑物，從外部到內(nèi)部劃分為不同的雷電防護(hù)區(qū)（LPZ），如圖 1所示。

圖1 建筑物雷電防護(hù)區(qū)劃分

（1）直擊雷非防護(hù)區(qū)（LPZ0A）:電磁場沒有衰減，各類物體都可能遭受雷擊。

（2）直擊雷防護(hù)區(qū)（LPZ0B）：電磁場沒有衰減，不可能受到雷擊。

（3）第一防護(hù)區(qū)（LPZ1）：不可能受到雷擊，流經(jīng)各導(dǎo)體的電流進(jìn)一步減少，電磁場可能衰減。

（4）第二防護(hù)區(qū)（LPZ2）：進(jìn)一步減小所導(dǎo)引的雷電流或電磁場。

（5）后續(xù)防護(hù)區(qū)（LPZn）：需要進(jìn)一步減少所導(dǎo)引的電流和（或）磁場，以保護(hù)敏感設(shè)備。

根據(jù)鐵路信號(hào)樓信號(hào)電子設(shè)備的工作實(shí)際情況，它們都位于LPZ1以后的防雷區(qū)，在墻壁四周加裝屏蔽層的情況下，電磁場和導(dǎo)引電流進(jìn)一步降低。

3.2 雷擊電磁脈沖侵害電子設(shè)備的途徑

從實(shí)際雷害事故案例來看，雷電直接擊中信息電子設(shè)備的可能性不大，對(duì)電子設(shè)備危害最大的是雷擊電磁脈沖。雷擊產(chǎn)生的暫態(tài)高電位、電磁脈沖能以傳導(dǎo)、耦合感應(yīng)和輻射等方式侵人室內(nèi)信息系統(tǒng)。具體而言，雷擊電磁脈沖侵害信息系統(tǒng)的主要途徑如下：

（1）直擊雷導(dǎo)致防雷裝置部件高電位反擊。

（2）雷擊電磁脈沖感應(yīng)過電壓沿電源線或信號(hào)線侵入信息系統(tǒng)。

（3）雷擊電磁脈沖感應(yīng)過電壓沿信號(hào)線侵入信息系統(tǒng)。

試驗(yàn)測試表明，即使在距離3 km處發(fā)生雷擊，無屏蔽的通信線也可感應(yīng)出超過1 kV的電壓，埋在地下的電纜也同樣會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)過電壓。國外研究表面，雷擊時(shí)出現(xiàn)的空中脈沖磁場，當(dāng)其磁場強(qiáng)度達(dá)到7×10-7T時(shí)，無屏蔽措施的計(jì)算機(jī)將發(fā)生誤動(dòng)[1]。

4 電子設(shè)備防雷擊電磁脈沖措施

電子設(shè)備的防雷擊電磁脈沖措施包括合理設(shè)置接地、合理配線和設(shè)置電涌保護(hù)器等，前兩者屬于主動(dòng)性措施，作用在于避免電涌的發(fā)生或減輕電涌發(fā)生的強(qiáng)度，而后者在于減輕已發(fā)生電涌的危害。

4.1 電涌保護(hù)器的結(jié)構(gòu)及工作原理

電涌保護(hù)器（SPD）是一種限制暫態(tài)過電壓并分走電涌電流的器件。SPD一般由氣體放電管、放電間隙、半導(dǎo)體放電管、氧化鋅壓敏電阻、奇納二極管等元件單獨(dú)或組合構(gòu)成，但至少含有一個(gè)非線性元件。

電涌保護(hù)器并聯(lián)在被保護(hù)設(shè)備兩端或串聯(lián)于被保護(hù)電路中，通過泄放浪涌電流、限制浪涌電壓來保護(hù)電子設(shè)備。泄放雷電流、限制浪涌電壓這兩個(gè)作用都是由其非線性元件(一個(gè)非線性電阻或開關(guān)元件)完成的。在被保護(hù)電路正常工作，瞬態(tài)電涌未到來以前，此元件呈現(xiàn)高電阻，對(duì)被保護(hù)電路沒有影響；而當(dāng)瞬態(tài)電涌到來時(shí)，此元件迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娮瑁瑢⒗擞侩娏髋月罚⒈槐Ｗo(hù)設(shè)備兩端的電壓限制在較低的水平。放電完畢，該元件又迅速、自動(dòng)地恢復(fù)為高電阻，防止設(shè)備短路。

4.2 電涌保護(hù)器設(shè)置的一般原則

信息設(shè)備的SPD設(shè)置應(yīng)當(dāng)執(zhí)行分區(qū)、分級(jí)、分設(shè)備進(jìn)行保護(hù)的原則：

（1）在電源總進(jìn)線處應(yīng)安裝相應(yīng)等級(jí)的SPD。也就是在建筑物防雷分區(qū)的LPZ0和LPZ1區(qū)界面處，此處的SPD作用主要是泄放雷電能量。

（2）若某些設(shè)備因安裝位置距離第一級(jí)SPD較遠(yuǎn)，因受到SPD保護(hù)能力、引線電感電壓、行波、反射的影響，這些設(shè)備不能受到第一級(jí)SPD的有效保護(hù)，應(yīng)該在該設(shè)備處再安裝SPD作為二級(jí)防護(hù)。

（3）當(dāng)SPD間設(shè)有配電柜時(shí)，若受SPD保護(hù)能力和引線長度等的限制，第一級(jí)SPD保護(hù)不了配電柜的設(shè)備時(shí)，應(yīng)在配電柜內(nèi)安裝SPD。

（4）對(duì)于耐壓能力較弱的微電子設(shè)備，應(yīng)根據(jù)其耐壓能力增加相應(yīng)的SPD進(jìn)行專門防護(hù)。

5 信號(hào)樓SPD防護(hù)配置方案

5.1 信號(hào)樓設(shè)備及防雷分區(qū)SPD安裝

圖2為鐵路信號(hào)樓設(shè)備分布的主要形式。從圖中可以看出，信號(hào)電子設(shè)備基本上都位于LPZ2防雷區(qū)。對(duì)于電子設(shè)備的過電壓防護(hù)，我們通常考慮在電源側(cè)和信號(hào)/數(shù)據(jù)側(cè)設(shè)置SPD。

圖2 信號(hào)樓設(shè)備及防雷分區(qū)示意圖

由圖可知，鐵路信號(hào)樓內(nèi)與信號(hào)電子設(shè)備聯(lián)系緊密的線纜有電源線、信號(hào)線和通信線，這些線纜均應(yīng)加裝相應(yīng)等級(jí)的SPD進(jìn)行專門防護(hù)。而對(duì)于防護(hù)能力較弱的計(jì)算機(jī)主機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)、視頻線等，應(yīng)在設(shè)備接口處分級(jí)加裝相應(yīng)的SPD，達(dá)到分級(jí)防護(hù)的效果。

5.2 其他設(shè)備的防護(hù)

信號(hào)樓內(nèi)設(shè)備較多，車站、工務(wù)、供電等部門的通信無線電設(shè)備均安裝有天線，且直連到信號(hào)樓內(nèi)，雷電防護(hù)水平參差不齊。對(duì)于類似設(shè)備應(yīng)分別在其入室的LPZ0區(qū)和連接通信設(shè)備的LPZ1區(qū)分級(jí)加裝SPD，從而有效保護(hù)計(jì)算機(jī)及電子設(shè)備在雷擊電磁脈沖下的安全。