建筑物内电子设备抗雷击电磁脉冲措施的研究

邵 田 上海铁路局徐州电务段(同济大学)

随着我国铁路事业的快速发展，铁路信号技术逐渐数字化、电子化和集成化，计算机联锁系统、CTC/TDCS调度指挥系统、CTCS列车自动控制系统等都采用了大量的微电子电路。然而，以雷电冲击为代表的过电压危害每年都会造成大量的电子设备故障，给行车秩序、安全带来了的隐患。

1 事故概况

2012年7月5日，虞城地区天气雷雨，6:20虞城县站CTC车务终端显示器突然黑屏，且不能转为非常站控模式，8:40恢复，故障延时140 min，影响客车5列、货车1列。

2 原因分析

电务段抢险小组携带备品对故障设备进行了修复，对更换下来的计算机设备进行分析，发现设备是遭受到高电压冲击造成计算机接口板损坏。虞城县站信号楼是2004年电气化改造时建设的，房屋外部装有防雷地线。通过仔细查看现场，发现信号楼顶的一根通信天线，在未采取任何防雷安全措施情况下，连接到了室内的通信无线电设备。经过分析，工作人员认为强雷电在信号楼周围产生强大电磁场，通信天线在此种环境下感应出高电压进入室内，通过再次冲击造成CTC车务终端、微机联锁终端接口板及鼠标损坏。

3 雷击电磁脉冲

雷击电磁脉冲是指雷电直接击在建筑物防雷装置或建筑物附近所引起的效应，它是一种能量冲击，对供配电系统中的电气设备威胁不大，但对于低压信息系统设备的正常工作影响很大，严重威胁电子设备的安全可靠运行。

3.1 室内外防雷分区划分

雷电防护区的划分是将需要保护和控制雷电电磁脉冲环境的建筑物，从外部到内部划分为不同的雷电防护区（LPZ），如图 1所示。

图1 建筑物雷电防护区划分

（1）直击雷非防护区（LPZ0A）:电磁场没有衰减，各类物体都可能遭受雷击。

（2）直击雷防护区（LPZ0B）：电磁场没有衰减，不可能受到雷击。

（3）第一防护区（LPZ1）：不可能受到雷击，流经各导体的电流进一步减少，电磁场可能衰减。

（4）第二防护区（LPZ2）：进一步减小所导引的雷电流或电磁场。

（5）后续防护区（LPZn）：需要进一步减少所导引的电流和（或）磁场，以保护敏感设备。

根据铁路信号楼信号电子设备的工作实际情况，它们都位于LPZ1以后的防雷区，在墙壁四周加装屏蔽层的情况下，电磁场和导引电流进一步降低。

3.2 雷击电磁脉冲侵害电子设备的途径

从实际雷害事故案例来看，雷电直接击中信息电子设备的可能性不大，对电子设备危害最大的是雷击电磁脉冲。雷击产生的暂态高电位、电磁脉冲能以传导、耦合感应和辐射等方式侵人室内信息系统。具体而言，雷击电磁脉冲侵害信息系统的主要途径如下：

（1）直击雷导致防雷装置部件高电位反击。

（2）雷击电磁脉冲感应过电压沿电源线或信号线侵入信息系统。

（3）雷击电磁脉冲感应过电压沿信号线侵入信息系统。

试验测试表明，即使在距离3 km处发生雷击，无屏蔽的通信线也可感应出超过1 kV的电压，埋在地下的电缆也同样会出现感应过电压。国外研究表面，雷击时出现的空中脉冲磁场，当其磁场强度达到7×10-7T时，无屏蔽措施的计算机将发生误动[1]。

4 电子设备防雷击电磁脉冲措施

电子设备的防雷击电磁脉冲措施包括合理设置接地、合理配线和设置电涌保护器等，前两者属于主动性措施，作用在于避免电涌的发生或减轻电涌发生的强度，而后者在于减轻已发生电涌的危害。

4.1 电涌保护器的结构及工作原理

电涌保护器（SPD）是一种限制暂态过电压并分走电涌电流的器件。SPD一般由气体放电管、放电间隙、半导体放电管、氧化锌压敏电阻、奇纳二极管等元件单独或组合构成，但至少含有一个非线性元件。

电涌保护器并联在被保护设备两端或串联于被保护电路中，通过泄放浪涌电流、限制浪涌电压来保护电子设备。泄放雷电流、限制浪涌电压这两个作用都是由其非线性元件(一个非线性电阻或开关元件)完成的。在被保护电路正常工作，瞬态电涌未到来以前，此元件呈现高电阻，对被保护电路没有影响；而当瞬态电涌到来时，此元件迅速转变为低电阻，将浪涌电流旁路，并将被保护设备两端的电压限制在较低的水平。放电完毕，该元件又迅速、自动地恢复为高电阻，防止设备短路。

4.2 电涌保护器设置的一般原则

信息设备的SPD设置应当执行分区、分级、分设备进行保护的原则：

（1）在电源总进线处应安装相应等级的SPD。也就是在建筑物防雷分区的LPZ0和LPZ1区界面处，此处的SPD作用主要是泄放雷电能量。

（2）若某些设备因安装位置距离第一级SPD较远，因受到SPD保护能力、引线电感电压、行波、反射的影响，这些设备不能受到第一级SPD的有效保护，应该在该设备处再安装SPD作为二级防护。

（3）当SPD间设有配电柜时，若受SPD保护能力和引线长度等的限制，第一级SPD保护不了配电柜的设备时，应在配电柜内安装SPD。

（4）对于耐压能力较弱的微电子设备，应根据其耐压能力增加相应的SPD进行专门防护。

5 信号楼SPD防护配置方案

5.1 信号楼设备及防雷分区SPD安装

图2为铁路信号楼设备分布的主要形式。从图中可以看出，信号电子设备基本上都位于LPZ2防雷区。对于电子设备的过电压防护，我们通常考虑在电源侧和信号/数据侧设置SPD。

图2 信号楼设备及防雷分区示意图

由图可知，铁路信号楼内与信号电子设备联系紧密的线缆有电源线、信号线和通信线，这些线缆均应加装相应等级的SPD进行专门防护。而对于防护能力较弱的计算机主机、键盘、鼠标、视频线等，应在设备接口处分级加装相应的SPD，达到分级防护的效果。

5.2 其他设备的防护

信号楼内设备较多，车站、工务、供电等部门的通信无线电设备均安装有天线，且直连到信号楼内，雷电防护水平参差不齐。对于类似设备应分别在其入室的LPZ0区和连接通信设备的LPZ1区分级加装SPD，从而有效保护计算机及电子设备在雷击电磁脉冲下的安全。