上道通信信號設備的雷擊試驗

付茂金 郭麗梅 阮小飛

付茂金:中國鐵道科學研究院通信信號研究所 副研究員100081 北京

郭麗梅:鐵道部產品質量監督檢驗中心通信信號檢驗站 助理研究員 100081 北京

阮小飛:中國鐵道科學研究院通信信號研究所 助理研究員100081 北京

1 問題的提出

高速鐵路的通信、信號設備大量使用了微電子設備。為了保證設備能夠在雷電環境下正常運行，通信信號系統應以磁場防護和線路端口防護為重點，采取一系列綜合防護措施，以避免脆弱敏感的集成電路芯片等微電子器件在出現了雷電電磁脈沖干擾時受到損壞，使通信信號設備能夠滿足全天候工作要求，以確保列車高速度、高密度運行。

綜合防護實際是磁“場”和電“路”防護，是在通信信號設備的端口安裝協調配合的防雷保安器SPD，并要求SPD的電壓防護水平Up(即SPD的殘壓)必須小于通信信號設備端口芯片的抗干擾能力 (即耐壓水平)Uw。因此，設備供應商必須為用戶提供設備端口的抗干擾能力 (即額定沖擊耐受電壓水平)Uw的信息，以便用戶在設計中能選擇合適的防雷保安器。

國際電信聯盟ITU在K系列建議中多次提出，制造商應提供端口的Uw數據，1996年版的ITU K.21《安裝在用戶端的通信設備過電壓和過電流抗力的要求 (Resistibility of subscriber＇s terminal to overvoltages and overcurrents)》提出，用戶必須了解所使用的電信設備對雷過電壓和過電流的耐受性。K.21的2008版強化了這一要求。國際電工委員會IEC的77委員會也編制了電子設備雷擊試驗的標準 IEC 61000-4-5:2005，我國采標為 GB/T 17626.5-2008《電磁兼容試驗和測量技術電涌 (沖擊)抗擾度試驗》。此外，我國還編制了 GB/T 3482-2008《電子設備雷擊試驗方法》，規范了電子設備對雷電電磁脈沖抗擾性能的要求、試驗方法及評判標準。

鐵路通信信號設備制造商理應為用戶提供其所制造設備端口的雷電抗擾水平參數，應該根據鐵路，尤其是高速鐵路設備的特點，在產品定型生產和上道使用前，進行模擬雷擊試驗。

2 電子設備雷擊試驗的范圍

綜合防雷要求從兩方面加強電氣、電子設備中的微電子元器件對雷電電磁場干擾的防衛程度。第一是各微電子器件對磁場的防衛能力，防止磁場能量通過輻射進入各微電子器件;第二是電氣、電子設備端口對過電壓的防衛能力，防止雷電磁場能量產生的過電壓沿線路通過設備端口傳導進入微電子器件。前者可以用機房板式連續磁屏蔽抵抗約40 dB的雷電磁場能量，后者只有在設備線路端口安裝與設備端口芯片額定沖擊耐受電壓水平Uw協調配合的防雷保安器，并要求SPD的電壓保護水平Up大大低于設備端口芯片額定沖擊耐受電壓水平 Uw，所以 GB/T 17626.5-2008和 GB/T 3482-2008規定了電氣、電子設備都要進行設備或系統面臨電磁騷擾不降低運行能力的電涌抗擾度試驗。

對于鐵路通信信號系統，凡通過金屬導線直接連接到端口的設備 (包括室內和室外設備)在規定狀態下工作時，應該接受雷電電磁脈沖模擬雷擊試驗。這個試驗僅考慮機房雷電電磁脈沖的防護，直擊雷電流直接注入線路時應該安裝多級SPD，其中末前級的防護也按照雷電電磁脈沖情況考慮。

雷擊試驗分為:電源端口的試驗、通信和控制端口的試驗兩大類。

電源端口的試驗包括專門為各通信信號設備供給能量的電源設備線路端口和通信信號設備中供電單元線路端口的雷擊試驗。通信和控制端口的試驗包括所有通信信號設備的端口，其中機房內連接線較長時應該安裝SPD，所以，未與外線連接的端口，若設計中沒有縮短通信或控制線路長度的可能時，原則上也要進行雷擊試驗。智能化電源設備的控制或通信端口也應該進行雷擊試驗。

3 電子設備雷擊試驗方法

3.1 試驗波形和模擬雷擊發生器

電子設備雷擊試驗理論上應選擇和實際雷電一致的波形，但是，由于雷電電磁脈沖的波形是隨機的，并不確定一致。因此，ITU和IEC標準提出用一個“基準”標準作為雷擊試驗的波形，這個波形被稱為“標準試驗波形”，它是從為數眾多的實際雷電觀測波形中抽取出來。其中有電壓波形和電流波形兩大類。

典型的電壓波形是1.2/50 μs，典型的電流波形是8/20 μs。對于通信信號設備自帶電源單元的電源線路，由于電子設備雷擊試驗只考慮雷電電磁脈沖的情況，所以雷擊波發生器用一套組合波發生器就可以輸出電壓和電流兩種波形，即組合波發生器在開路 (負載大于或等于10 kΩ)時，發生器輸出的是電壓波，輸出端的電壓波形為1.2/50 μs;當組合波發生器短路時，發生器輸出端變為電流波輸出，電流波形為8/20 μs。對于電源屏等電源設備，由于外線直接由室外進入機房，主要考慮的是外線傳導干擾，雷電試驗采用的是電流幅值較大的8/20 μs電流波。

雷電是電磁波，電磁波通過傳輸線時會因為傳輸線種類不同、波阻抗不同而發生不同的延時和衰耗。因此IEC和ITU規定了對稱電纜試驗波形為電壓波 10/700 μs，電流波為 5/320 μs 。

圖1和圖2分別給出了雷電試驗采用的電壓波形和電流波形的參數定義，包括電壓或電流峰值、波前時間 (視在波頭時間)、半峰值時間 (視在半峰值時間)等。

圖1 電壓波形參數

3.2 試驗方法

圖2 電流波形參數

1．試驗程序。首先，要對受試的通信信號設備 (EUT)按相關規范規定進行功能檢測，合格后才可進行雷擊試驗，該程序被稱為初始檢驗。第二，受試的通信信號設備 (EUT)處于正常工作狀態進行動態雷擊試驗，即端口按規定施加一組雷電沖擊波。每組試驗完畢可進行中間檢驗，檢查被測設備是否工作正常，如不正常，則停止試驗，該程序被稱為中間檢驗。第三，是恢復階段，受試的通信信號設備 (EUT)在常溫下恢復15 min以上后進行最后檢驗。

2．試驗類型。通信信號設備有三種類型的雷擊試驗。第一，外部端口—地間縱向試驗 (共模試驗)，即線-地間試驗;第二，內部端口—地間縱向試驗 (共模試驗)，即線-地間試驗;第三，線路端子—線路端子間橫向試驗 (差模試驗)，即線-線間試驗。

圖3 試驗端口及接線端子位置示意圖

3．沖擊波施加于端口位置。圖3是雷擊試驗時，沖擊源施加的位置示意圖。

橫向試驗時，沖擊波應施加在具有外接對稱線(如雙絞線)的電子設備的互連線端口、電源端口。縱向試驗時，沖擊波應施加在具有外部端口、內部端口和保護接地的設備。

4 上道通信信號設備雷擊試驗的嚴酷等級

由于電源線路傳導的雷電能量比通信或控制線高很多，因此雷擊試驗對不同的傳輸媒介采用的試驗嚴酷等級也不同。電源設備如電源屏和電源配電箱，采用 8/20 μs電流波試驗時的試驗等級為5 kA、10 kA、20 kA、40 kA等4個等級，若設備期望的使用環境惡劣，還可根據相關規范或用戶要求施加更高等級沖擊電流。

通信和控制線路傳導的雷電能量較低，采用10/700 μs(5/320 μs)組合波試驗時的試驗等級為0.3 kV、0.5 kV、1.0 kV、1.5 kV、4.0 kV、6.0 kV等6個級別。通信信號設備制造商可以在端口設置內置式防雷器件。為了防止防雷器件的盲區 (防雷器件的工作閾值偏高，使得當外來干擾較小時防雷器件反而不工作的現象)，所有的試驗必須包括最低級別的試驗。

對于通信信號設備自帶的電源端口，采用1.2/50 μs(8/20 μs)組合波試驗，嚴酷等級為0.5 kV、1.0 kV、1.5 kV、4.0 kV、6.0 kV等5個級別。同樣通信信號設備制造商可以在端口設置內置式防雷器件。所有的試驗必須包括最低級別的試驗。

5 電子設備耐雷電能力的判定

對比試驗前和試驗后受測通信信號設備(EUT)的工作特性，可以判定試驗結果。若出現下列情況之一，都可確定EUT合格。

1．受測設備在試驗中和試驗后正常工作，該結果為最佳結果。

2．受測設備試驗后自動恢復正常工作。

3．受測設備試驗后經簡單手動操作恢復正常工作。

4．受測設備試驗后性能在容許范圍內。

5．受測設備在試驗中和試驗后性能在容許范圍內。

6．受測設備試驗后經更換小量易損件 (如熔斷器)后正常工作。

所有測試都是在設備處于正常工作狀態下進行，每次試驗過程中都要檢查受測設備是否工作正常，如不正常，則停止試驗，并判定試驗不合格。全部試驗結束后恢復15 min，設備應仍能繼續正常工作，否則為不合格。在試驗過程中，EUT不應有起火危險和器件損壞，否則認為該EUT嚴重不合格。

6 結論

為了實施綜合防雷，有的放矢地選擇與設備抗干擾能力協調配合的SPD，了解設備端口的額定沖擊耐受電壓水平Uw非常必要。制造商也應當了解自己產品的抗干擾性，并設法提高其自身耐雷電水平Uw。通信信號產品的雷擊試驗對于制造商研制高耐電磁干擾的產品是不可缺少的工作。因此，鐵路系統編制符合鐵路通信信號系統設備的雷擊試驗相關標準，評價通信信號產品在遭受雷電沖擊或其他電磁干擾時的防衛能力是非常重要和必要的。

［1］ GB/T 348-2008，電子設備雷擊試驗方法．

［2］ GB/T 17626.5-2008，電磁兼容 試驗和測量技術浪涌(沖擊)抗擾度試驗．

［3］ 中華人民共和國鐵道部．TB/T 3074-2003．鐵道信號設備雷電電磁脈沖防護技術條件．

［4］ ITU-T K.21-2008，Resistibility of telecommunication equipment installed in customer premises to overvoltages and overcurrents．