上道通信信號(hào)設(shè)備的雷擊試驗(yàn)

付茂金 郭麗梅 阮小飛

付茂金:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所 副研究員100081 北京

郭麗梅:鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心通信信號(hào)檢驗(yàn)站 助理研究員 100081 北京

阮小飛:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所 助理研究員100081 北京

1 問(wèn)題的提出

高速鐵路的通信、信號(hào)設(shè)備大量使用了微電子設(shè)備。為了保證設(shè)備能夠在雷電環(huán)境下正常運(yùn)行，通信信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)以磁場(chǎng)防護(hù)和線路端口防護(hù)為重點(diǎn)，采取一系列綜合防護(hù)措施，以避免脆弱敏感的集成電路芯片等微電子器件在出現(xiàn)了雷電電磁脈沖干擾時(shí)受到損壞，使通信信號(hào)設(shè)備能夠滿足全天候工作要求，以確保列車高速度、高密度運(yùn)行。

綜合防護(hù)實(shí)際是磁“場(chǎng)”和電“路”防護(hù)，是在通信信號(hào)設(shè)備的端口安裝協(xié)調(diào)配合的防雷保安器SPD，并要求SPD的電壓防護(hù)水平Up(即SPD的殘壓)必須小于通信信號(hào)設(shè)備端口芯片的抗干擾能力 (即耐壓水平)Uw。因此，設(shè)備供應(yīng)商必須為用戶提供設(shè)備端口的抗干擾能力 (即額定沖擊耐受電壓水平)Uw的信息，以便用戶在設(shè)計(jì)中能選擇合適的防雷保安器。

國(guó)際電信聯(lián)盟ITU在K系列建議中多次提出，制造商應(yīng)提供端口的Uw數(shù)據(jù)，1996年版的ITU K.21《安裝在用戶端的通信設(shè)備過(guò)電壓和過(guò)電流抗力的要求 (Resistibility of subscriber＇s terminal to overvoltages and overcurrents)》提出，用戶必須了解所使用的電信設(shè)備對(duì)雷過(guò)電壓和過(guò)電流的耐受性。K.21的2008版強(qiáng)化了這一要求。國(guó)際電工委員會(huì)IEC的77委員會(huì)也編制了電子設(shè)備雷擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn) IEC 61000-4-5:2005，我國(guó)采標(biāo)為 GB/T 17626.5-2008《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)電涌 (沖擊)抗擾度試驗(yàn)》。此外，我國(guó)還編制了 GB/T 3482-2008《電子設(shè)備雷擊試驗(yàn)方法》，規(guī)范了電子設(shè)備對(duì)雷電電磁脈沖抗擾性能的要求、試驗(yàn)方法及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

鐵路通信信號(hào)設(shè)備制造商理應(yīng)為用戶提供其所制造設(shè)備端口的雷電抗擾水平參數(shù)，應(yīng)該根據(jù)鐵路，尤其是高速鐵路設(shè)備的特點(diǎn)，在產(chǎn)品定型生產(chǎn)和上道使用前，進(jìn)行模擬雷擊試驗(yàn)。

2 電子設(shè)備雷擊試驗(yàn)的范圍

綜合防雷要求從兩方面加強(qiáng)電氣、電子設(shè)備中的微電子元器件對(duì)雷電電磁場(chǎng)干擾的防衛(wèi)程度。第一是各微電子器件對(duì)磁場(chǎng)的防衛(wèi)能力，防止磁場(chǎng)能量通過(guò)輻射進(jìn)入各微電子器件;第二是電氣、電子設(shè)備端口對(duì)過(guò)電壓的防衛(wèi)能力，防止雷電磁場(chǎng)能量產(chǎn)生的過(guò)電壓沿線路通過(guò)設(shè)備端口傳導(dǎo)進(jìn)入微電子器件。前者可以用機(jī)房板式連續(xù)磁屏蔽抵抗約40 dB的雷電磁場(chǎng)能量，后者只有在設(shè)備線路端口安裝與設(shè)備端口芯片額定沖擊耐受電壓水平Uw協(xié)調(diào)配合的防雷保安器，并要求SPD的電壓保護(hù)水平Up大大低于設(shè)備端口芯片額定沖擊耐受電壓水平 Uw，所以 GB/T 17626.5-2008和 GB/T 3482-2008規(guī)定了電氣、電子設(shè)備都要進(jìn)行設(shè)備或系統(tǒng)面臨電磁騷擾不降低運(yùn)行能力的電涌抗擾度試驗(yàn)。

對(duì)于鐵路通信信號(hào)系統(tǒng)，凡通過(guò)金屬導(dǎo)線直接連接到端口的設(shè)備 (包括室內(nèi)和室外設(shè)備)在規(guī)定狀態(tài)下工作時(shí)，應(yīng)該接受雷電電磁脈沖模擬雷擊試驗(yàn)。這個(gè)試驗(yàn)僅考慮機(jī)房雷電電磁脈沖的防護(hù)，直擊雷電流直接注入線路時(shí)應(yīng)該安裝多級(jí)SPD，其中末前級(jí)的防護(hù)也按照雷電電磁脈沖情況考慮。

雷擊試驗(yàn)分為:電源端口的試驗(yàn)、通信和控制端口的試驗(yàn)兩大類。

電源端口的試驗(yàn)包括專門為各通信信號(hào)設(shè)備供給能量的電源設(shè)備線路端口和通信信號(hào)設(shè)備中供電單元線路端口的雷擊試驗(yàn)。通信和控制端口的試驗(yàn)包括所有通信信號(hào)設(shè)備的端口，其中機(jī)房?jī)?nèi)連接線較長(zhǎng)時(shí)應(yīng)該安裝SPD，所以，未與外線連接的端口，若設(shè)計(jì)中沒(méi)有縮短通信或控制線路長(zhǎng)度的可能時(shí)，原則上也要進(jìn)行雷擊試驗(yàn)。智能化電源設(shè)備的控制或通信端口也應(yīng)該進(jìn)行雷擊試驗(yàn)。

3 電子設(shè)備雷擊試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)波形和模擬雷擊發(fā)生器

電子設(shè)備雷擊試驗(yàn)理論上應(yīng)選擇和實(shí)際雷電一致的波形，但是，由于雷電電磁脈沖的波形是隨機(jī)的，并不確定一致。因此，ITU和IEC標(biāo)準(zhǔn)提出用一個(gè)“基準(zhǔn)”標(biāo)準(zhǔn)作為雷擊試驗(yàn)的波形，這個(gè)波形被稱為“標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)波形”，它是從為數(shù)眾多的實(shí)際雷電觀測(cè)波形中抽取出來(lái)。其中有電壓波形和電流波形兩大類。

典型的電壓波形是1.2/50 μs，典型的電流波形是8/20 μs。對(duì)于通信信號(hào)設(shè)備自帶電源單元的電源線路，由于電子設(shè)備雷擊試驗(yàn)只考慮雷電電磁脈沖的情況，所以雷擊波發(fā)生器用一套組合波發(fā)生器就可以輸出電壓和電流兩種波形，即組合波發(fā)生器在開路 (負(fù)載大于或等于10 kΩ)時(shí)，發(fā)生器輸出的是電壓波，輸出端的電壓波形為1.2/50 μs;當(dāng)組合波發(fā)生器短路時(shí)，發(fā)生器輸出端變?yōu)殡娏鞑ㄝ敵?，電流波形?/20 μs。對(duì)于電源屏等電源設(shè)備，由于外線直接由室外進(jìn)入機(jī)房，主要考慮的是外線傳導(dǎo)干擾，雷電試驗(yàn)采用的是電流幅值較大的8/20 μs電流波。

雷電是電磁波，電磁波通過(guò)傳輸線時(shí)會(huì)因?yàn)閭鬏斁€種類不同、波阻抗不同而發(fā)生不同的延時(shí)和衰耗。因此IEC和ITU規(guī)定了對(duì)稱電纜試驗(yàn)波形為電壓波 10/700 μs，電流波為 5/320 μs 。

圖1和圖2分別給出了雷電試驗(yàn)采用的電壓波形和電流波形的參數(shù)定義，包括電壓或電流峰值、波前時(shí)間 (視在波頭時(shí)間)、半峰值時(shí)間 (視在半峰值時(shí)間)等。

圖1 電壓波形參數(shù)

3.2 試驗(yàn)方法

圖2 電流波形參數(shù)

1．試驗(yàn)程序。首先，要對(duì)受試的通信信號(hào)設(shè)備 (EUT)按相關(guān)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行功能檢測(cè)，合格后才可進(jìn)行雷擊試驗(yàn)，該程序被稱為初始檢驗(yàn)。第二，受試的通信信號(hào)設(shè)備 (EUT)處于正常工作狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)雷擊試驗(yàn)，即端口按規(guī)定施加一組雷電沖擊波。每組試驗(yàn)完畢可進(jìn)行中間檢驗(yàn)，檢查被測(cè)設(shè)備是否工作正常，如不正常，則停止試驗(yàn)，該程序被稱為中間檢驗(yàn)。第三，是恢復(fù)階段，受試的通信信號(hào)設(shè)備 (EUT)在常溫下恢復(fù)15 min以上后進(jìn)行最后檢驗(yàn)。

2．試驗(yàn)類型。通信信號(hào)設(shè)備有三種類型的雷擊試驗(yàn)。第一，外部端口—地間縱向試驗(yàn) (共模試驗(yàn))，即線-地間試驗(yàn);第二，內(nèi)部端口—地間縱向試驗(yàn) (共模試驗(yàn))，即線-地間試驗(yàn);第三，線路端子—線路端子間橫向試驗(yàn) (差模試驗(yàn))，即線-線間試驗(yàn)。

圖3 試驗(yàn)端口及接線端子位置示意圖

3．沖擊波施加于端口位置。圖3是雷擊試驗(yàn)時(shí)，沖擊源施加的位置示意圖。

橫向試驗(yàn)時(shí)，沖擊波應(yīng)施加在具有外接對(duì)稱線(如雙絞線)的電子設(shè)備的互連線端口、電源端口?？v向試驗(yàn)時(shí)，沖擊波應(yīng)施加在具有外部端口、內(nèi)部端口和保護(hù)接地的設(shè)備。

4 上道通信信號(hào)設(shè)備雷擊試驗(yàn)的嚴(yán)酷等級(jí)

由于電源線路傳導(dǎo)的雷電能量比通信或控制線高很多，因此雷擊試驗(yàn)對(duì)不同的傳輸媒介采用的試驗(yàn)嚴(yán)酷等級(jí)也不同。電源設(shè)備如電源屏和電源配電箱，采用 8/20 μs電流波試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)等級(jí)為5 kA、10 kA、20 kA、40 kA等4個(gè)等級(jí)，若設(shè)備期望的使用環(huán)境惡劣，還可根據(jù)相關(guān)規(guī)范或用戶要求施加更高等級(jí)沖擊電流。

通信和控制線路傳導(dǎo)的雷電能量較低，采用10/700 μs(5/320 μs)組合波試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)等級(jí)為0.3 kV、0.5 kV、1.0 kV、1.5 kV、4.0 kV、6.0 kV等6個(gè)級(jí)別。通信信號(hào)設(shè)備制造商可以在端口設(shè)置內(nèi)置式防雷器件。為了防止防雷器件的盲區(qū) (防雷器件的工作閾值偏高，使得當(dāng)外來(lái)干擾較小時(shí)防雷器件反而不工作的現(xiàn)象)，所有的試驗(yàn)必須包括最低級(jí)別的試驗(yàn)。

對(duì)于通信信號(hào)設(shè)備自帶的電源端口，采用1.2/50 μs(8/20 μs)組合波試驗(yàn)，嚴(yán)酷等級(jí)為0.5 kV、1.0 kV、1.5 kV、4.0 kV、6.0 kV等5個(gè)級(jí)別。同樣通信信號(hào)設(shè)備制造商可以在端口設(shè)置內(nèi)置式防雷器件。所有的試驗(yàn)必須包括最低級(jí)別的試驗(yàn)。

5 電子設(shè)備耐雷電能力的判定

對(duì)比試驗(yàn)前和試驗(yàn)后受測(cè)通信信號(hào)設(shè)備(EUT)的工作特性，可以判定試驗(yàn)結(jié)果。若出現(xiàn)下列情況之一，都可確定EUT合格。

1．受測(cè)設(shè)備在試驗(yàn)中和試驗(yàn)后正常工作，該結(jié)果為最佳結(jié)果。

2．受測(cè)設(shè)備試驗(yàn)后自動(dòng)恢復(fù)正常工作。

3．受測(cè)設(shè)備試驗(yàn)后經(jīng)簡(jiǎn)單手動(dòng)操作恢復(fù)正常工作。

4．受測(cè)設(shè)備試驗(yàn)后性能在容許范圍內(nèi)。

5．受測(cè)設(shè)備在試驗(yàn)中和試驗(yàn)后性能在容許范圍內(nèi)。

6．受測(cè)設(shè)備試驗(yàn)后經(jīng)更換小量易損件 (如熔斷器)后正常工作。

所有測(cè)試都是在設(shè)備處于正常工作狀態(tài)下進(jìn)行，每次試驗(yàn)過(guò)程中都要檢查受測(cè)設(shè)備是否工作正常，如不正常，則停止試驗(yàn)，并判定試驗(yàn)不合格。全部試驗(yàn)結(jié)束后恢復(fù)15 min，設(shè)備應(yīng)仍能繼續(xù)正常工作，否則為不合格。在試驗(yàn)過(guò)程中，EUT不應(yīng)有起火危險(xiǎn)和器件損壞，否則認(rèn)為該EUT嚴(yán)重不合格。

6 結(jié)論

為了實(shí)施綜合防雷，有的放矢地選擇與設(shè)備抗干擾能力協(xié)調(diào)配合的SPD，了解設(shè)備端口的額定沖擊耐受電壓水平Uw非常必要。制造商也應(yīng)當(dāng)了解自己產(chǎn)品的抗干擾性，并設(shè)法提高其自身耐雷電水平Uw。通信信號(hào)產(chǎn)品的雷擊試驗(yàn)對(duì)于制造商研制高耐電磁干擾的產(chǎn)品是不可缺少的工作。因此，鐵路系統(tǒng)編制符合鐵路通信信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備的雷擊試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)通信信號(hào)產(chǎn)品在遭受雷電沖擊或其他電磁干擾時(shí)的防衛(wèi)能力是非常重要和必要的。

［1］ GB/T 348-2008，電子設(shè)備雷擊試驗(yàn)方法．

［2］ GB/T 17626.5-2008，電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)．

［3］ 中華人民共和國(guó)鐵道部．TB/T 3074-2003．鐵道信號(hào)設(shè)備雷電電磁脈沖防護(hù)技術(shù)條件．

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