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[摘 要]介绍信号控制系统机房雷电防护及电磁兼容几项关键问题的设计和施工，从理论上探讨了解决雷电电磁波由电源通道及空间通道侵入的措施。
[关键词]信号 控制系统 雷电 防护 对策
中图分类号：TE933.207 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）40-0287-01
引文：现代化铁路信号系统大量应用了计算机、网络通信、大规模集成电路等现代化微电子技术，与传统信号设备相比，微电子设备过电压和过电流能力较低，对电磁干扰非常敏感，即使幅值很低的雷电脉冲干扰都可能造成设备工作错误，甚至电子设备的物理性损坏。
1.交流电源通道雷电防护原理及存在的问题和对策
电源通道雷电防护主要是防护雷电感应和传导电波的侵入，其主要目的是泄放高电压，降低残压，避免对用电设备和人身造成危害。由于雷电90%以上的能量都集中在100KHz以下，极易从电力工频电源引入线通道中耦合侵入，据统计60%～70%的雷击事故发生在电源部分。
1.1 电源系统多级雷电防护原理
根据IEC等国际标准及我国GB和铁路系统有关文件要求，信号电源雷电防护采用多级配合、层层泄流的原则，并明确信号室内电源设三级雷电防护防雷器。
电源防雷器的作用是：在最短的时间内释放电路上因感应雷而产生雷电脉冲能量泄放到安全地线上。其原理是：在正常情况下防雷器处于高阻状态，当有雷击或开关操作出现瞬间脉冲电压时防雷器立即在极短时间内快速导通（纳秒级），将脉冲电压导通箝位通过短路通道向大地泄放。从而保护了设备。当脉冲电压过后，防雷器又变为高阻状态，而不影响设备正常工作。
1.2 电源三级雷电防护的有效配合及实现
合理的多级有效配合保护，可以实现前级保护器泄放掉大部分电流，将过电压的大部分能量有效泻放或吸收，后级保护器实现进一步限压的目的。不合理的多级保护，不但不能提供可靠的保护，可能产生相反的作用。由于级联浪涌保护器的钳位电压和通流容量、两者间距以及侵入的过电压波形的不同，要求保护器必须具有合理的配合。
1.3 电源系统雷电防护存在的问题
各种保护器件具有不同的电压电流特性，根据被保护系统的具体要求，充分考虑各种保护器件的性能差异、适用范围，择优选取，进行合理搭配，可以提高保护系统的可靠性。
由于电源设置多级防雷器会相互影响，特别是并联的防雷器级间必须达到能量的配合，当雷电形成浪涌过电压时，前级防雷器将可靠响应，泄放掉高能量的电流，避免损坏后级防雷器。但在实际防雷设计及应用实践中经常由于室内环境所限，三级防雷器设置距离很近（特别是放电间隙型与压敏电阻型），几乎均设在一起，导致级间入射电压过度振荡，严重影响了防雷效果。以及前级防雷器冲击通流容量选取过小，影响高能量雷电流在第一级的泄放。同时，第二级防雷器设在信号电源屏内，存在很大的安全问题。
1.4 采取的对策
1.4.1防雷器级间安装距离（线缆）必须有适宜的长度
各级电源防雷器之间安装距离必须有合适的长度，保证导线长度提供的自然电感满足级间退耦协调的要求，依据IEC的有关要求，雷电流保护（第一级保护B级防雷器）和浪涌电压保护（第二级保护C级防雷器）之间的距离应大于10m，第二级保护和第三级保护（C级防雷器和D级防雷器）之间的距离应大于5m。线路本身的感抗有一定的阻碍电流及分压作用，使雷电流更多地被分配到前级泄放。三级雷电防护逐步减少瞬态浪涌电流幅值，最后一级将浪涌过电压限制在设备能安全承受的范围内。在工程设计时分别将第一级尽量靠近建筑物的电源进线处，第二、三级尽量靠近被保护设备，必要时采用凯文接法。
1.4.2 防雷器级间安装距离过近时的措施
两级防雷器可以安装在一个防雷（配电）箱内，级间安装电感退耦协调器。以电感代替所需的导线长度，使并联的防雷器之间获得最理想的能量配合，特别是火花间隙型和基于压敏电阻型防雷器之间的有效配合，确保前级防雷器有浪涌过电压时及时响应可靠动作，使高能量雷电流更多地被分配到前级泄放。同时放电管放电时，暂态电流的变化率di/dt很大，也产生辐射能量，退耦器对高能雷电流有很好的电感特性，限制入射电压电流的过渡振荡，从而可保护后级防雷器。
采用电感退耦协调器后，两级防雷器可以安装在一个防雷（配电）箱内，此种方式适合于面积较小的信号机械室（机房）内。
1.4.3 提高电源第一级防雷器泄流能力及措施
由于雷电90%以上的能量都集中在100KHz以下，极易从工频电源系统中耦合侵入，据统计60%～70%的雷击事故发生在电源部分。特别是电源第一级防雷器安装在LPZO区和LPZ1区交界处，混合波雷电流较强。所以，电源前级防雷应根据当地雷暴情况尽量提高其雷电流的泄放能力，提高防雷器件的冲击通流容量，第一级标称冲击通流容量应选不小于40KA防雷器（最大80KA），第二级标称冲击通流容量应选不小于20KA防雷器。雷害频繁地区，电源防雷器件的冲击通流容量更应提高。
同时，引导雷电流入地的导流引下线在泄掉巨大的雷电流时，会产生地电位反击及感应电磁场，也可能损坏设备。雷电流沿地网泄放时，在防雷器引下线与地网连接点附近土壤内形成一个强电位场，距离越近电压越高。所以，第一级电源防雷必须单独设置泄流通道（接地线），在接地网上的连接点与其他接地连接点要有一定的隔离距离，避免地电位反击。同时与其它防雷措施合理组合并用，实施综合防护，才能使被保护设备处于安全状态。
1.4.4 确保电源第二级防雷器安全工作及措施
电源防雷器不与信号设备同箱（柜）设置。在第二级电源防雷仍存在8/20us雷电波形巨大能量（可达几十KA），若第二级防雷器设在信号电源屏内，存在严重的不安全的隐患，应单独设置第二级电源防雷箱或加装安全屏蔽隔离装置（包括UPS电源前的防雷），以确保信号设备的安全。
当然，除雷电冲击波能使SPD损坏以外，一些过电压也能使SPD损坏，。防雷器只能用于吸收脉宽较窄的尖峰电压，不能用来吸收能量较大的工频持续过电压，若这些过电压的能量太大，超过防雷器的最大吸收能量，防雷器将不可避免地失效烧毁。
2.波阻抗对信号通道防雷器安装的影响及对策
电磁波阻抗对防雷器的安装及作用的发挥存在很大的影响，既有有利的一面（对交流电源多级防护有利），但对信号信息通道防护，又有不利的一面。
2.1 波阻抗可造成防雷器不能发挥作用
在信号分线盘处加装防雷器是信号设备防雷一项重要措施，在新建及既有设备改造中普遍采用并联防雷器的方法。由于防雷器的安装受位置的限制而形成较长的连接线，造成防雷器与被保护信号线路之间形成较大波阻。当雷电波侵入时，由于波阻抗Z1、Z2较大，阻碍瞬间雷电波进入防雷器，防雷器没有及时启动去泄放雷电流。瞬间雷电波则直接侵入信号设备，造成信号设备的损坏，而防雷器却没有启动。
2.2 采取的对策
通道并联防雷器一定要实现最短线路连接，首先采用安全可靠的防雷分线柜及专用插接端子实现“零”连接距离。在无法采用防雷分线柜时，要严格执行并联防雷器接线长度不大于0.5m的要求，解决信号分线盘加装防雷器连接线过长波阻较大，防雷器不起作用的问题。可采用在分线盘每层端子前后加装可上下翻开防雷器板的方法，实现防雷器最短线路连接，保证了并联防雷器接线长度不大于0.5m的要求。
3.结束语
铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护的实施大大改善和提高了设备的安全运行的可靠性，但在具体综合防护实施过程中由于存在一些错误和被忽略问题，导致设备遭受雷害还时有发生。
参考文献
[1]姜贺彬.牵引供电系统对铁路信号系统的电磁干扰分析[D].西南交通大学.2009.
[2]辛延俊.青藏高原飞机场雷电灾害风险评估研究[J].青海气象.2009.
[关键词]信号 控制系统 雷电 防护 对策
中图分类号：TE933.207 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）40-0287-01
引文：现代化铁路信号系统大量应用了计算机、网络通信、大规模集成电路等现代化微电子技术，与传统信号设备相比，微电子设备过电压和过电流能力较低，对电磁干扰非常敏感，即使幅值很低的雷电脉冲干扰都可能造成设备工作错误，甚至电子设备的物理性损坏。
1.交流电源通道雷电防护原理及存在的问题和对策
电源通道雷电防护主要是防护雷电感应和传导电波的侵入，其主要目的是泄放高电压，降低残压，避免对用电设备和人身造成危害。由于雷电90%以上的能量都集中在100KHz以下，极易从电力工频电源引入线通道中耦合侵入，据统计60%～70%的雷击事故发生在电源部分。
1.1 电源系统多级雷电防护原理
根据IEC等国际标准及我国GB和铁路系统有关文件要求，信号电源雷电防护采用多级配合、层层泄流的原则，并明确信号室内电源设三级雷电防护防雷器。
电源防雷器的作用是：在最短的时间内释放电路上因感应雷而产生雷电脉冲能量泄放到安全地线上。其原理是：在正常情况下防雷器处于高阻状态，当有雷击或开关操作出现瞬间脉冲电压时防雷器立即在极短时间内快速导通（纳秒级），将脉冲电压导通箝位通过短路通道向大地泄放。从而保护了设备。当脉冲电压过后，防雷器又变为高阻状态，而不影响设备正常工作。
1.2 电源三级雷电防护的有效配合及实现
合理的多级有效配合保护，可以实现前级保护器泄放掉大部分电流，将过电压的大部分能量有效泻放或吸收，后级保护器实现进一步限压的目的。不合理的多级保护，不但不能提供可靠的保护，可能产生相反的作用。由于级联浪涌保护器的钳位电压和通流容量、两者间距以及侵入的过电压波形的不同，要求保护器必须具有合理的配合。
1.3 电源系统雷电防护存在的问题
各种保护器件具有不同的电压电流特性，根据被保护系统的具体要求，充分考虑各种保护器件的性能差异、适用范围，择优选取，进行合理搭配，可以提高保护系统的可靠性。
由于电源设置多级防雷器会相互影响，特别是并联的防雷器级间必须达到能量的配合，当雷电形成浪涌过电压时，前级防雷器将可靠响应，泄放掉高能量的电流，避免损坏后级防雷器。但在实际防雷设计及应用实践中经常由于室内环境所限，三级防雷器设置距离很近（特别是放电间隙型与压敏电阻型），几乎均设在一起，导致级间入射电压过度振荡，严重影响了防雷效果。以及前级防雷器冲击通流容量选取过小，影响高能量雷电流在第一级的泄放。同时，第二级防雷器设在信号电源屏内，存在很大的安全问题。
1.4 采取的对策
1.4.1防雷器级间安装距离（线缆）必须有适宜的长度
各级电源防雷器之间安装距离必须有合适的长度，保证导线长度提供的自然电感满足级间退耦协调的要求，依据IEC的有关要求，雷电流保护（第一级保护B级防雷器）和浪涌电压保护（第二级保护C级防雷器）之间的距离应大于10m，第二级保护和第三级保护（C级防雷器和D级防雷器）之间的距离应大于5m。线路本身的感抗有一定的阻碍电流及分压作用，使雷电流更多地被分配到前级泄放。三级雷电防护逐步减少瞬态浪涌电流幅值，最后一级将浪涌过电压限制在设备能安全承受的范围内。在工程设计时分别将第一级尽量靠近建筑物的电源进线处，第二、三级尽量靠近被保护设备，必要时采用凯文接法。
1.4.2 防雷器级间安装距离过近时的措施
两级防雷器可以安装在一个防雷（配电）箱内，级间安装电感退耦协调器。以电感代替所需的导线长度，使并联的防雷器之间获得最理想的能量配合，特别是火花间隙型和基于压敏电阻型防雷器之间的有效配合，确保前级防雷器有浪涌过电压时及时响应可靠动作，使高能量雷电流更多地被分配到前级泄放。同时放电管放电时，暂态电流的变化率di/dt很大，也产生辐射能量，退耦器对高能雷电流有很好的电感特性，限制入射电压电流的过渡振荡，从而可保护后级防雷器。
采用电感退耦协调器后，两级防雷器可以安装在一个防雷（配电）箱内，此种方式适合于面积较小的信号机械室（机房）内。
1.4.3 提高电源第一级防雷器泄流能力及措施
由于雷电90%以上的能量都集中在100KHz以下，极易从工频电源系统中耦合侵入，据统计60%～70%的雷击事故发生在电源部分。特别是电源第一级防雷器安装在LPZO区和LPZ1区交界处，混合波雷电流较强。所以，电源前级防雷应根据当地雷暴情况尽量提高其雷电流的泄放能力，提高防雷器件的冲击通流容量，第一级标称冲击通流容量应选不小于40KA防雷器（最大80KA），第二级标称冲击通流容量应选不小于20KA防雷器。雷害频繁地区，电源防雷器件的冲击通流容量更应提高。
同时，引导雷电流入地的导流引下线在泄掉巨大的雷电流时，会产生地电位反击及感应电磁场，也可能损坏设备。雷电流沿地网泄放时，在防雷器引下线与地网连接点附近土壤内形成一个强电位场，距离越近电压越高。所以，第一级电源防雷必须单独设置泄流通道（接地线），在接地网上的连接点与其他接地连接点要有一定的隔离距离，避免地电位反击。同时与其它防雷措施合理组合并用，实施综合防护，才能使被保护设备处于安全状态。
1.4.4 确保电源第二级防雷器安全工作及措施
电源防雷器不与信号设备同箱（柜）设置。在第二级电源防雷仍存在8/20us雷电波形巨大能量（可达几十KA），若第二级防雷器设在信号电源屏内，存在严重的不安全的隐患，应单独设置第二级电源防雷箱或加装安全屏蔽隔离装置（包括UPS电源前的防雷），以确保信号设备的安全。
当然，除雷电冲击波能使SPD损坏以外，一些过电压也能使SPD损坏，。防雷器只能用于吸收脉宽较窄的尖峰电压，不能用来吸收能量较大的工频持续过电压，若这些过电压的能量太大，超过防雷器的最大吸收能量，防雷器将不可避免地失效烧毁。
2.波阻抗对信号通道防雷器安装的影响及对策
电磁波阻抗对防雷器的安装及作用的发挥存在很大的影响，既有有利的一面（对交流电源多级防护有利），但对信号信息通道防护，又有不利的一面。
2.1 波阻抗可造成防雷器不能发挥作用
在信号分线盘处加装防雷器是信号设备防雷一项重要措施，在新建及既有设备改造中普遍采用并联防雷器的方法。由于防雷器的安装受位置的限制而形成较长的连接线，造成防雷器与被保护信号线路之间形成较大波阻。当雷电波侵入时，由于波阻抗Z1、Z2较大，阻碍瞬间雷电波进入防雷器，防雷器没有及时启动去泄放雷电流。瞬间雷电波则直接侵入信号设备，造成信号设备的损坏，而防雷器却没有启动。
2.2 采取的对策
通道并联防雷器一定要实现最短线路连接，首先采用安全可靠的防雷分线柜及专用插接端子实现“零”连接距离。在无法采用防雷分线柜时，要严格执行并联防雷器接线长度不大于0.5m的要求，解决信号分线盘加装防雷器连接线过长波阻较大，防雷器不起作用的问题。可采用在分线盘每层端子前后加装可上下翻开防雷器板的方法，实现防雷器最短线路连接，保证了并联防雷器接线长度不大于0.5m的要求。
3.结束语
铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护的实施大大改善和提高了设备的安全运行的可靠性，但在具体综合防护实施过程中由于存在一些错误和被忽略问题，导致设备遭受雷害还时有发生。
参考文献
[1]姜贺彬.牵引供电系统对铁路信号系统的电磁干扰分析[D].西南交通大学.2009.
[2]辛延俊.青藏高原飞机场雷电灾害风险评估研究[J].青海气象.2009.