電子信號設備防雷技術應用探討

鞏月琴 中國鐵路上海局集團有限公司徐州電務段

隨著現代鐵路技術的不斷發展，大量精密電子設備應用于鐵路之中，如CTC、TDCS等等。然而因雷電造成的鐵路信號電子設備的損壞，其影響范圍大，短時間內不易恢復，對行車安全容易造成非常不利的影響。如何將雷電對鐵路信號電子設備的危害降至最低，是現今探索的重要議題。

1 雷電對鐵路信號電子設備的主要干擾途徑

由電源供電線路入侵，電子設備的電源由電力線路引入室內，電力線路可能遭受直擊雷和感應雷。直擊雷擊中高壓電力線路，經過變壓器耦合到低壓側，入侵為電子設備供電的設備；另外，低壓線路也可能被直擊雷擊中或感應產生雷電過電壓。

（1）電子設備通過電源線、通信線和地線三個環節與外界連接，如圖1所示，由信息系統傳輸線路入侵，地面突出物遭雷擊時，雷電流直接入侵到電纜外皮，進而擊穿電纜外皮絕緣，使高壓入侵信號傳輸線路。

圖1 電子設備連接情況

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

2 現代防雷技術特點

現代防雷技術的理論基礎在于：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）對地泄放的合理的阻抗路徑，而不能讓其隨機性選擇放電通道，簡言之就是要控制雷電能量的泄放與轉換。德國專家希曼斯基在《過電壓保護理論與實踐》中提出了現代防雷保護的三道防線：

（1）外部保護——將絕大部分雷電流直接引入大地泄散；

（2）內部保護——阻塞沿電源線、數據線或信號線侵入的雷電波危害設備；

（3）過電壓保護——限制被保護設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。在此基礎上提出雷電的防護可分為兩方面：即直擊雷的防護和感應雷的防護。

①直擊雷的防護

防直擊雷都是采用避雷針、避雷帶、避雷線或避雷網作為閃接器，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感應雷的防護

感應雷的防護是從整體上或在系統中建立起三維的防護體系，主要是在被保護設備構成的系統中采取以下措施：

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

B、信號系統防雷：與電源防雷一樣，信號系統的防雷主要采用通信避雷器防雷，將避雷器串聯或并聯在通信線路上。

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備的金屬外殼、電纜的金屬外皮、建筑物的金屬構架、金屬管線的橋架與接地系統作電氣連接，防止在這些物件上由于感應雷電高電壓或接地裝置上雷電入地高電位的傳遞造成對設備內部絕緣、電纜芯線的反擊。

D、金屬屏蔽及重復接地：在做好以上措施的基礎上，還應采用有效屏蔽、重復接地等辦法，避免架空導線直接進入建筑物內的配電系統和信號系統，盡可能采用埋地電纜引入，并用金屬導管屏蔽，屏蔽金屬管在進入建筑物或機房前重復接地，最大限度衰減從各種線纜上引入的雷電高電壓。

3 鐵路信號電子設備實施防雷方法

3.1 防止由線路進入的過電壓

為了防止雷電波侵入電子設備機房內而造成設備損壞，所有引入計算機機房的線路宜全線采用電纜埋地或穿金屬管埋地引入。當難于全線埋設電纜或穿金屬管敷設時，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，兩端金屬外護套良好接地。由于雷電流屬于高頻電流，會使大部分電流散入地中，使到機房設備的雷電流減小，過電壓降低。

機房內設備或系統對外所連的電源線、信號線等都應安裝具有較強防雷電過電壓保護的器件。如圖2，無論是由通信線還是由電源線侵入到機房的高能量沖擊波，都會被瞬間電壓抑制器限制到設備所允許的范圍內。

圖2 機房內設備或系統對外所連的電源線、信號線的情況

3.2 電子設備機房配電系統改進措施

電子設備機房配電系統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算機信息系統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。在電子設備機房內的不間斷電源輸出端的電力配電箱中，安裝一級吸收感應雷電過電壓的半導體過電壓保護器。在重要的終端（如小型機、服務器、高速打印機、系統前置機、通信設備、網絡交換機等）實施終端末級防雷保護。

3.3 傳輸網絡的雷電保護

電子設備機房網絡通信系統雷電防護包括廣域網雷電防護、局域網雷電防護雷電防護、光纜通信雷電防護和機房內部設備之間的串口雷電防護等。

（1）廣域網雷電防護

廣域網線路一般為通信提供的線路，從戶外引進機房，為雷電的重點襲擊對象。在進入機房設備前端應安裝具備二級防護的防雷保護器，第一級應為火花間隙保護器，通過RLC解耦后，進入第二級半導體過電壓保護器。需要防護線與線之間、線與大地之間的雷電入侵，保護器的損耗指標應該適應電子設備的有關要求。

光纜一般不會傳導雷電，但光纜金屬護套和金屬芯線可能引入雷電損壞設備，光纜通信系統的金屬吊掛鋼纜線、光纜內的加強筋，在進戶處應做好等電位連接后接地。帶有一對或幾對金屬線的光纜，金屬線部分應加裝新號線路浪涌防護器。必須在進入設備之前，使芯線和護套接地，以達到防止雷電感應過電壓引入的目的。

（2）局域網的雷電防護

電子設備機柜內部計算機設備之間的數據交換和數據處理的網絡系統，是局域網雷電防護的重要部分。局域網雷電防護的重點是做好局域網網線的屏蔽，同時加強終端設備局域網端口的雷電防護。局域網的網口應采取雷電防護措施，服務器、網絡交換機、集線器等端口應加設專用防雷器。對于以太網網絡線路的防護（如：長線收發器（KVM））使用LQ-RJ45/5浪涌保護器，抵御雷電帶來的損壞，LQ-RJ45/5浪涌保護器電氣工作原理如圖3。

圖3 LQ-RJ45/5浪涌保護器電氣工作原理

4 結束語

雷電對鐵路信號電子設備影響較大，除按上述方法增設防雷措施外，還應做好電子設備軟件、硬件備品備件的應急儲備工作，防患于未然，同時加強雷雨季節的電子設備的日常巡視工作，多點結合，全面提高鐵路信號電子設備的運用質量，從而保證鐵路運輸的安全穩定。