建筑物內電子設備抗雷擊電磁脈沖措施的研究

邵 田 上海鐵路局徐州電務段(同濟大學)

隨著我國鐵路事業的快速發展，鐵路信號技術逐漸數字化、電子化和集成化，計算機聯鎖系統、CTC/TDCS調度指揮系統、CTCS列車自動控制系統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造成大量的電子設備故障，給行車秩序、安全帶來了的隱患。

1 事故概況

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

2 原因分析

電務段搶險小組攜帶備品對故障設備進行了修復，對更換下來的計算機設備進行分析，發現設備是遭受到高電壓沖擊造成計算機接口板損壞。虞城縣站信號樓是2004年電氣化改造時建設的，房屋外部裝有防雷地線。通過仔細查看現場，發現信號樓頂的一根通信天線，在未采取任何防雷安全措施情況下，連接到了室內的通信無線電設備。經過分析，工作人員認為強雷電在信號樓周圍產生強大電磁場，通信天線在此種環境下感應出高電壓進入室內，通過再次沖擊造成CTC車務終端、微機聯鎖終端接口板及鼠標損壞。

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，它是一種能量沖擊，對供配電系統中的電氣設備威脅不大，但對于低壓信息系統設備的正常工作影響很大，嚴重威脅電子設備的安全可靠運行。

3.1 室內外防雷分區劃分

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

圖1 建筑物雷電防護區劃分

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

（2）直擊雷防護區（LPZ0B）：電磁場沒有衰減，不可能受到雷擊。

（3）第一防護區（LPZ1）：不可能受到雷擊，流經各導體的電流進一步減少，電磁場可能衰減。

（4）第二防護區（LPZ2）：進一步減小所導引的雷電流或電磁場。

（5）后續防護區（LPZn）：需要進一步減少所導引的電流和（或）磁場，以保護敏感設備。

根據鐵路信號樓信號電子設備的工作實際情況，它們都位于LPZ1以后的防雷區，在墻壁四周加裝屏蔽層的情況下，電磁場和導引電流進一步降低。

3.2 雷擊電磁脈沖侵害電子設備的途徑

從實際雷害事故案例來看，雷電直接擊中信息電子設備的可能性不大，對電子設備危害最大的是雷擊電磁脈沖。雷擊產生的暫態高電位、電磁脈沖能以傳導、耦合感應和輻射等方式侵人室內信息系統。具體而言，雷擊電磁脈沖侵害信息系統的主要途徑如下：

（1）直擊雷導致防雷裝置部件高電位反擊。

（2）雷擊電磁脈沖感應過電壓沿電源線或信號線侵入信息系統。

（3）雷擊電磁脈沖感應過電壓沿信號線侵入信息系統。

試驗測試表明，即使在距離3 km處發生雷擊，無屏蔽的通信線也可感應出超過1 kV的電壓，埋在地下的電纜也同樣會出現感應過電壓。國外研究表面，雷擊時出現的空中脈沖磁場，當其磁場強度達到7×10-7T時，無屏蔽措施的計算機將發生誤動[1]。

4 電子設備防雷擊電磁脈沖措施

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

4.1 電涌保護器的結構及工作原理

電涌保護器（SPD）是一種限制暫態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、半導體放電管、氧化鋅壓敏電阻、奇納二極管等元件單獨或組合構成，但至少含有一個非線性元件。

電涌保護器并聯在被保護設備兩端或串聯于被保護電路中，通過泄放浪涌電流、限制浪涌電壓來保護電子設備。泄放雷電流、限制浪涌電壓這兩個作用都是由其非線性元件(一個非線性電阻或開關元件)完成的。在被保護電路正常工作，瞬態電涌未到來以前，此元件呈現高電阻，對被保護電路沒有影響；而當瞬態電涌到來時，此元件迅速轉變為低電阻，將浪涌電流旁路，并將被保護設備兩端的電壓限制在較低的水平。放電完畢，該元件又迅速、自動地恢復為高電阻，防止設備短路。

4.2 電涌保護器設置的一般原則

信息設備的SPD設置應當執行分區、分級、分設備進行保護的原則：

（1）在電源總進線處應安裝相應等級的SPD。也就是在建筑物防雷分區的LPZ0和LPZ1區界面處，此處的SPD作用主要是泄放雷電能量。

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

（3）當SPD間設有配電柜時，若受SPD保護能力和引線長度等的限制，第一級SPD保護不了配電柜的設備時，應在配電柜內安裝SPD。

（4）對于耐壓能力較弱的微電子設備，應根據其耐壓能力增加相應的SPD進行專門防護。

5 信號樓SPD防護配置方案

5.1 信號樓設備及防雷分區SPD安裝

圖2為鐵路信號樓設備分布的主要形式。從圖中可以看出，信號電子設備基本上都位于LPZ2防雷區。對于電子設備的過電壓防護，我們通常考慮在電源側和信號/數據側設置SPD。

圖2 信號樓設備及防雷分區示意圖

由圖可知，鐵路信號樓內與信號電子設備聯系緊密的線纜有電源線、信號線和通信線，這些線纜均應加裝相應等級的SPD進行專門防護。而對于防護能力較弱的計算機主機、鍵盤、鼠標、視頻線等，應在設備接口處分級加裝相應的SPD，達到分級防護的效果。

5.2 其他設備的防護

信號樓內設備較多，車站、工務、供電等部門的通信無線電設備均安裝有天線，且直連到信號樓內，雷電防護水平參差不齊。對于類似設備應分別在其入室的LPZ0區和連接通信設備的LPZ1區分級加裝SPD，從而有效保護計算機及電子設備在雷擊電磁脈沖下的安全。