上道通信信号设备的雷击试验

付茂金 郭丽梅 阮小飞

付茂金:中国铁道科学研究院通信信号研究所 副研究员100081 北京

郭丽梅:铁道部产品质量监督检验中心通信信号检验站 助理研究员 100081 北京

阮小飞:中国铁道科学研究院通信信号研究所 助理研究员100081 北京

1 问题的提出

高速铁路的通信、信号设备大量使用了微电子设备。为了保证设备能够在雷电环境下正常运行，通信信号系统应以磁场防护和线路端口防护为重点，采取一系列综合防护措施，以避免脆弱敏感的集成电路芯片等微电子器件在出现了雷电电磁脉冲干扰时受到损坏，使通信信号设备能够满足全天候工作要求，以确保列车高速度、高密度运行。

综合防护实际是磁“场”和电“路”防护，是在通信信号设备的端口安装协调配合的防雷保安器SPD，并要求SPD的电压防护水平Up(即SPD的残压)必须小于通信信号设备端口芯片的抗干扰能力 (即耐压水平)Uw。因此，设备供应商必须为用户提供设备端口的抗干扰能力 (即额定冲击耐受电压水平)Uw的信息，以便用户在设计中能选择合适的防雷保安器。

国际电信联盟ITU在K系列建议中多次提出，制造商应提供端口的Uw数据，1996年版的ITU K.21《安装在用户端的通信设备过电压和过电流抗力的要求 (Resistibility of subscriber＇s terminal to overvoltages and overcurrents)》提出，用户必须了解所使用的电信设备对雷过电压和过电流的耐受性。K.21的2008版强化了这一要求。国际电工委员会IEC的77委员会也编制了电子设备雷击试验的标准 IEC 61000-4-5:2005，我国采标为 GB/T 17626.5-2008《电磁兼容试验和测量技术电涌 (冲击)抗扰度试验》。此外，我国还编制了 GB/T 3482-2008《电子设备雷击试验方法》，规范了电子设备对雷电电磁脉冲抗扰性能的要求、试验方法及评判标准。

铁路通信信号设备制造商理应为用户提供其所制造设备端口的雷电抗扰水平参数，应该根据铁路，尤其是高速铁路设备的特点，在产品定型生产和上道使用前，进行模拟雷击试验。

2 电子设备雷击试验的范围

综合防雷要求从两方面加强电气、电子设备中的微电子元器件对雷电电磁场干扰的防卫程度。第一是各微电子器件对磁场的防卫能力，防止磁场能量通过辐射进入各微电子器件;第二是电气、电子设备端口对过电压的防卫能力，防止雷电磁场能量产生的过电压沿线路通过设备端口传导进入微电子器件。前者可以用机房板式连续磁屏蔽抵抗约40 dB的雷电磁场能量，后者只有在设备线路端口安装与设备端口芯片额定冲击耐受电压水平Uw协调配合的防雷保安器，并要求SPD的电压保护水平Up大大低于设备端口芯片额定冲击耐受电压水平 Uw，所以 GB/T 17626.5-2008和 GB/T 3482-2008规定了电气、电子设备都要进行设备或系统面临电磁骚扰不降低运行能力的电涌抗扰度试验。

对于铁路通信信号系统，凡通过金属导线直接连接到端口的设备 (包括室内和室外设备)在规定状态下工作时，应该接受雷电电磁脉冲模拟雷击试验。这个试验仅考虑机房雷电电磁脉冲的防护，直击雷电流直接注入线路时应该安装多级SPD，其中末前级的防护也按照雷电电磁脉冲情况考虑。

雷击试验分为:电源端口的试验、通信和控制端口的试验两大类。

电源端口的试验包括专门为各通信信号设备供给能量的电源设备线路端口和通信信号设备中供电单元线路端口的雷击试验。通信和控制端口的试验包括所有通信信号设备的端口，其中机房内连接线较长时应该安装SPD，所以，未与外线连接的端口，若设计中没有缩短通信或控制线路长度的可能时，原则上也要进行雷击试验。智能化电源设备的控制或通信端口也应该进行雷击试验。

3 电子设备雷击试验方法

3.1 试验波形和模拟雷击发生器

电子设备雷击试验理论上应选择和实际雷电一致的波形，但是，由于雷电电磁脉冲的波形是随机的，并不确定一致。因此，ITU和IEC标准提出用一个“基准”标准作为雷击试验的波形，这个波形被称为“标准试验波形”，它是从为数众多的实际雷电观测波形中抽取出来。其中有电压波形和电流波形两大类。

典型的电压波形是1.2/50 μs，典型的电流波形是8/20 μs。对于通信信号设备自带电源单元的电源线路，由于电子设备雷击试验只考虑雷电电磁脉冲的情况，所以雷击波发生器用一套组合波发生器就可以输出电压和电流两种波形，即组合波发生器在开路 (负载大于或等于10 kΩ)时，发生器输出的是电压波，输出端的电压波形为1.2/50 μs;当组合波发生器短路时，发生器输出端变为电流波输出，电流波形为8/20 μs。对于电源屏等电源设备，由于外线直接由室外进入机房，主要考虑的是外线传导干扰，雷电试验采用的是电流幅值较大的8/20 μs电流波。

雷电是电磁波，电磁波通过传输线时会因为传输线种类不同、波阻抗不同而发生不同的延时和衰耗。因此IEC和ITU规定了对称电缆试验波形为电压波 10/700 μs，电流波为 5/320 μs 。

图1和图2分别给出了雷电试验采用的电压波形和电流波形的参数定义，包括电压或电流峰值、波前时间 (视在波头时间)、半峰值时间 (视在半峰值时间)等。

图1 电压波形参数

3.2 试验方法

图2 电流波形参数

1．试验程序。首先，要对受试的通信信号设备 (EUT)按相关规范规定进行功能检测，合格后才可进行雷击试验，该程序被称为初始检验。第二，受试的通信信号设备 (EUT)处于正常工作状态进行动态雷击试验，即端口按规定施加一组雷电冲击波。每组试验完毕可进行中间检验，检查被测设备是否工作正常，如不正常，则停止试验，该程序被称为中间检验。第三，是恢复阶段，受试的通信信号设备 (EUT)在常温下恢复15 min以上后进行最后检验。

2．试验类型。通信信号设备有三种类型的雷击试验。第一，外部端口—地间纵向试验 (共模试验)，即线-地间试验;第二，内部端口—地间纵向试验 (共模试验)，即线-地间试验;第三，线路端子—线路端子间横向试验 (差模试验)，即线-线间试验。

图3 试验端口及接线端子位置示意图

3．冲击波施加于端口位置。图3是雷击试验时，冲击源施加的位置示意图。

横向试验时，冲击波应施加在具有外接对称线(如双绞线)的电子设备的互连线端口、电源端口。纵向试验时，冲击波应施加在具有外部端口、内部端口和保护接地的设备。

4 上道通信信号设备雷击试验的严酷等级

由于电源线路传导的雷电能量比通信或控制线高很多，因此雷击试验对不同的传输媒介采用的试验严酷等级也不同。电源设备如电源屏和电源配电箱，采用 8/20 μs电流波试验时的试验等级为5 kA、10 kA、20 kA、40 kA等4个等级，若设备期望的使用环境恶劣，还可根据相关规范或用户要求施加更高等级冲击电流。

通信和控制线路传导的雷电能量较低，采用10/700 μs(5/320 μs)组合波试验时的试验等级为0.3 kV、0.5 kV、1.0 kV、1.5 kV、4.0 kV、6.0 kV等6个级别。通信信号设备制造商可以在端口设置内置式防雷器件。为了防止防雷器件的盲区 (防雷器件的工作阈值偏高，使得当外来干扰较小时防雷器件反而不工作的现象)，所有的试验必须包括最低级别的试验。

对于通信信号设备自带的电源端口，采用1.2/50 μs(8/20 μs)组合波试验，严酷等级为0.5 kV、1.0 kV、1.5 kV、4.0 kV、6.0 kV等5个级别。同样通信信号设备制造商可以在端口设置内置式防雷器件。所有的试验必须包括最低级别的试验。

5 电子设备耐雷电能力的判定

对比试验前和试验后受测通信信号设备(EUT)的工作特性，可以判定试验结果。若出现下列情况之一，都可确定EUT合格。

1．受测设备在试验中和试验后正常工作，该结果为最佳结果。

2．受测设备试验后自动恢复正常工作。

3．受测设备试验后经简单手动操作恢复正常工作。

4．受测设备试验后性能在容许范围内。

5．受测设备在试验中和试验后性能在容许范围内。

6．受测设备试验后经更换小量易损件 (如熔断器)后正常工作。

所有测试都是在设备处于正常工作状态下进行，每次试验过程中都要检查受测设备是否工作正常，如不正常，则停止试验，并判定试验不合格。全部试验结束后恢复15 min，设备应仍能继续正常工作，否则为不合格。在试验过程中，EUT不应有起火危险和器件损坏，否则认为该EUT严重不合格。

6 结论

为了实施综合防雷，有的放矢地选择与设备抗干扰能力协调配合的SPD，了解设备端口的额定冲击耐受电压水平Uw非常必要。制造商也应当了解自己产品的抗干扰性，并设法提高其自身耐雷电水平Uw。通信信号产品的雷击试验对于制造商研制高耐电磁干扰的产品是不可缺少的工作。因此，铁路系统编制符合铁路通信信号系统设备的雷击试验相关标准，评价通信信号产品在遭受雷电冲击或其他电磁干扰时的防卫能力是非常重要和必要的。

［1］ GB/T 348-2008，电子设备雷击试验方法．

［2］ GB/T 17626.5-2008，电磁兼容 试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验．

［3］ 中华人民共和国铁道部．TB/T 3074-2003．铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件．

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