电子信号设备防雷技术应用探讨

巩月琴 中国铁路上海局集团有限公司徐州电务段

随着现代铁路技术的不断发展，大量精密电子设备应用于铁路之中，如CTC、TDCS等等。然而因雷电造成的铁路信号电子设备的损坏，其影响范围大，短时间内不易恢复，对行车安全容易造成非常不利的影响。如何将雷电对铁路信号电子设备的危害降至最低，是现今探索的重要议题。

1 雷电对铁路信号电子设备的主要干扰途径

由电源供电线路入侵，电子设备的电源由电力线路引入室内，电力线路可能遭受直击雷和感应雷。直击雷击中高压电力线路，经过变压器耦合到低压侧，入侵为电子设备供电的设备；另外，低压线路也可能被直击雷击中或感应产生雷电过电压。

（1）电子设备通过电源线、通信线和地线三个环节与外界连接，如图1所示，由信息系统传输线路入侵，地面突出物遭雷击时，雷电流直接入侵到电缆外皮，进而击穿电缆外皮绝缘，使高压入侵信号传输线路。

图1 电子设备连接情况

（2）地电位反击电压通过接地体入侵，雷击时强大的雷电流经过引下线和接地体泄入大地，在接地体附近呈现放射型的电位分布，若有连接电子设备的其他接地体靠近，即产生高压地电位反击。

2 现代防雷技术特点

现代防雷技术的理论基础在于：闪电是电流源，防雷的基本途径就是要提供一条雷电流（包括雷电电磁脉冲辐射）对地泄放的合理的阻抗路径，而不能让其随机性选择放电通道，简言之就是要控制雷电能量的泄放与转换。德国专家希曼斯基在《过电压保护理论与实践》中提出了现代防雷保护的三道防线：

（1）外部保护——将绝大部分雷电流直接引入大地泄散；

（2）内部保护——阻塞沿电源线、数据线或信号线侵入的雷电波危害设备；

（3）过电压保护——限制被保护设备上的雷电过电压幅值。

这三道防线相互配合，各尽其职，缺一不可。在此基础上提出雷电的防护可分为两方面：即直击雷的防护和感应雷的防护。

①直击雷的防护

防直击雷都是采用避雷针、避雷带、避雷线或避雷网作为闪接器，然后通过良好的接地装置迅速而安全把雷电流直接引入大地泄散

②感应雷的防护

感应雷的防护是从整体上或在系统中建立起三维的防护体系，主要是在被保护设备构成的系统中采取以下措施：

A、电源防雷：配电系统电源防雷应采用三级防护，避雷针采用的是（B、C、D）三级防雷的方式。第一级保护（B级）一般安装在建筑物输入电源总配电室内的进线配电柜上，主要用于保护整幢建筑物用电设备。第二级保护（C级）主要安装在设备配电柜上。第三级保护（D级）主要安装于各个用电设备的电源端，用于保护最终端的用电设备。

B、信号系统防雷：与电源防雷一样，信号系统的防雷主要采用通信避雷器防雷，将避雷器串联或并联在通信线路上。

C、等电位连接：等电位连接是将正常不带电的、未接地或未良好接地设备的金属外壳、电缆的金属外皮、建筑物的金属构架、金属管线的桥架与接地系统作电气连接，防止在这些物件上由于感应雷电高电压或接地装置上雷电入地高电位的传递造成对设备内部绝缘、电缆芯线的反击。

D、金属屏蔽及重复接地：在做好以上措施的基础上，还应采用有效屏蔽、重复接地等办法，避免架空导线直接进入建筑物内的配电系统和信号系统，尽可能采用埋地电缆引入，并用金属导管屏蔽，屏蔽金属管在进入建筑物或机房前重复接地，最大限度衰减从各种线缆上引入的雷电高电压。

3 铁路信号电子设备实施防雷方法

3.1 防止由线路进入的过电压

为了防止雷电波侵入电子设备机房内而造成设备损坏，所有引入计算机机房的线路宜全线采用电缆埋地或穿金属管埋地引入。当难于全线埋设电缆或穿金属管敷设时，允许用长度不小于15 m的金属铠装电缆或全塑电缆穿金属管埋地引入，两端金属外护套良好接地。由于雷电流属于高频电流，会使大部分电流散入地中，使到机房设备的雷电流减小，过电压降低。

机房内设备或系统对外所连的电源线、信号线等都应安装具有较强防雷电过电压保护的器件。如图2，无论是由通信线还是由电源线侵入到机房的高能量冲击波，都会被瞬间电压抑制器限制到设备所允许的范围内。

图2 机房内设备或系统对外所连的电源线、信号线的情况

3.2 电子设备机房配电系统改进措施

电子设备机房配电系统一般采用三相五线和单相三线供电方式，由于电力线是采用户外线路直接引入为计算机信息系统提供有效的能源支持，故电力线是重要的引雷途径。因此，要求电力线屏蔽埋地引入。在电子设备机房内的不间断电源输出端的电力配电箱中，安装一级吸收感应雷电过电压的半导体过电压保护器。在重要的终端（如小型机、服务器、高速打印机、系统前置机、通信设备、网络交换机等）实施终端末级防雷保护。

3.3 传输网络的雷电保护

电子设备机房网络通信系统雷电防护包括广域网雷电防护、局域网雷电防护雷电防护、光缆通信雷电防护和机房内部设备之间的串口雷电防护等。

（1）广域网雷电防护

广域网线路一般为通信提供的线路，从户外引进机房，为雷电的重点袭击对象。在进入机房设备前端应安装具备二级防护的防雷保护器，第一级应为火花间隙保护器，通过RLC解耦后，进入第二级半导体过电压保护器。需要防护线与线之间、线与大地之间的雷电入侵，保护器的损耗指标应该适应电子设备的有关要求。

光缆一般不会传导雷电，但光缆金属护套和金属芯线可能引入雷电损坏设备，光缆通信系统的金属吊挂钢缆线、光缆内的加强筋，在进户处应做好等电位连接后接地。带有一对或几对金属线的光缆，金属线部分应加装新号线路浪涌防护器。必须在进入设备之前，使芯线和护套接地，以达到防止雷电感应过电压引入的目的。

（2）局域网的雷电防护

电子设备机柜内部计算机设备之间的数据交换和数据处理的网络系统，是局域网雷电防护的重要部分。局域网雷电防护的重点是做好局域网网线的屏蔽，同时加强终端设备局域网端口的雷电防护。局域网的网口应采取雷电防护措施，服务器、网络交换机、集线器等端口应加设专用防雷器。对于以太网网络线路的防护（如：长线收发器（KVM））使用LQ-RJ45/5浪涌保护器，抵御雷电带来的损坏，LQ-RJ45/5浪涌保护器电气工作原理如图3。

图3 LQ-RJ45/5浪涌保护器电气工作原理

4 结束语

雷电对铁路信号电子设备影响较大，除按上述方法增设防雷措施外，还应做好电子设备软件、硬件备品备件的应急储备工作，防患于未然，同时加强雷雨季节的电子设备的日常巡视工作，多点结合，全面提高铁路信号电子设备的运用质量，从而保证铁路运输的安全稳定。