摘 要：本文论述了铁路信号设备使用的特定条件以及对所有电子器件的安全性的苛刻要求，阐明在目前技术下，无人值守机房电源防雷器不单纯采用气体放电管或压敏电阻与线路并联方式的原因。

关键词：气体放电管 压敏电阻

1 问题的提出

根据2002年到2005年7月1日共3年半时间的统计，全路发生影响列车运行的雷害有1688起，耽搁列车正常运行1715列，故障延时达2107小时51分。雷害对铁路运输正常秩序的严重干扰,已经引起运输和电务部门的重视，许多车站都采取了一些防雷措施，安装了一些防雷设备。而许多雷害就发生在电源线安装了防雷设备的车站。那么，装了电源防雷设备为什么仍然还有雷害呢？本文就此展开探讨，希望能抛砖引玉，解决信号系统雷害的问题。

铁道科学研究院通信信号研究所编制的铁道行业标准TB/T3074 《铁路信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》在第7章里提出，铁路信号设备的雷电防护要实施“综合防雷”。“综合防雷”中的一个重要环节是“设置防雷保安器”。如何安装防雷保安器？该标准“8.1 铁路信号设备专用防雷保安器的设置”规定：“所有进入室内的电源线和信号传输线应当装设铁路信号设备专用防雷保安器”。这里提出的是安装“铁路信号设备专用防雷保安器”，也就是说，铁路信号设备用的防雷器与一般条件下使用的防雷器是有区别的，它必须满足铁路信号使用的特定条件。下面专门论述铁路信号电源设备的特定使用条件和对电源防雷保安器的要求。

2 铁路信号设备的特定使用条件和对电源防雷保安器的要求

通常，铁路信号电源两路引入信号楼，一路为自闭电源，该电源电压比较稳定；一路为电网电源，由于铁路线长点多，因此该电源电压波动很大。笔者在某编组站测得的电网电压波动在190V~260V之间。区间车站的面积与大楼比较要小，因此，电源线径路的长度有限，按照一般建筑物要求设置多部位多级防雷器空间上有困难。还有重要的一点，铁路是按线组织作业的，电源线和信号传输线不可能有和通信线路一样的迂回线路，一旦线路上的设备出故障，将使整条铁道线的车流堵塞，造成很大的经济损失。同时，信号楼实际上是无人24小时值守，一旦信号设备电源或信号设备故障，设备故障延时（即影响火车通行的时间）很长，后果就很严重，因此要求所有铁路信号设备防雷器的可靠性高于一般建筑物电源防雷器。笔者是国际电工委员会标准IEC 62305-4《Protection against lightning - Part 4: Electrical and electronic systems within structures》的参编人员，也是正在编制的我国国家标准《建筑物内的电气和电子设备防雷》的主编。在国际电工委员会标准IEC 62305系列的适用范围里明确写入了“该标准不适用于铁路系统；车辆、船只、飞行器、海岸设施；地下高压管线；与建筑物无关的管道、电力线、通信线。通常这些系统由专门的权威机构制定专用条例”。正在编制和即将公布的建筑物防雷国家标准和验收标准也将载明不适用于铁路系统。由此说明：铁路系统，尤其信号系统的防护与一般建筑物内的电气和电子设备防雷是有区别的。简单地说，就是铁路信号系统的防雷器包括电源防雷器有特殊的要求。

铁路信号电源设备的要求是：必须无劣化现象，即不会出现无雷自毁；在雷击损坏时的故障模式为开路模式，即防雷器被雷击时必须立即脱离电源电路，不得将上位的熔丝熔断或空气开关跳断；电源防雷器在雷击时必须有较低的残压。因此，TB/T3074 《铁路信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》在第8章里规定：“不得采用可导致续流、短路的空气间隙、气体放电管等元件，也不宜单独采用易于劣化的压敏电阻器与电源线并联”，“电源防雷保安器必须是可插拔结构”，“防雷器的连接线应尽量短”，以及有足够低的残压等。

３铁路信号设备专用电源防雷保安器要求的根据

大家知道，空气间隙和气体放电管都属于间隙放电器件。以气体放电管为例，它是密封的陶瓷或玻璃封装内装有放电间隙的短路型保护器件，陶瓷或玻璃封装内充有低压惰性气体。若在气体放电管两端施加电压，当外加电压增加，亦即电场强度增强到超过气体放电管两极间气体的击穿强度时，将会击穿气体放电管中的间隙，出现气体放电现象。这时，气体放电管的电阻由10⁹Ω突变到接近0Ω，好像一个开关，将原来关闭的电路（电阻无穷大）突然接入电路（电阻为0）。因此，有人把间隙和气体放电管等元件称为开关型保护器件。图1是间隙和气体放电管的伏安特性曲线。由图可以看出，当间隙两端电压加到V_s时（即经图中的abc线段到c点），间隙开始放电，这时若继续增加间隙两端的施加电压，间隙两端电压并不同步增加而保持在cd线段，再继续增加间隙两端的施加电压，间隙进入辉光放电状态（即经图中的def线段），间隙两端的电压为V_f（一般辉光管压降V_f为70V左右），当外加电源的电流足够大时，间隙两端的电压继续降低至V_h（弧光管压降V_h小于10V），间隙进入弧光放电状态。选择电源防雷器用放电管时都遵循放电管标称直流放电电压为交流工作电压的2.2倍（对220V交流电源，放电管标称直流放电电压应大于484V，工程上选择直流放电电压为600V的放电管）。因此，在雷电压未侵入电源线路时，放电管不工作。一旦雷电过电压侵入电源线，并且超过放电管的冲击放电电压，则放电管被击穿，这时电源可以提供足够的电流（一般，电流达1A，就可使放电管保持弧光放电）使放电管一直维持不可逆转的低电压状态V_h。使得雷电作用完毕后，放电管继续工作使电源线短路。这就是所谓续流。续流影响放电管电极间绝缘的恢复，产生过热负荷，缩短放电管使用寿命，最终导致放电管损坏。更严重的是，续流使电源线路短路，令放电管前端的熔丝熔断或空气开关跳断，中断电源供应。因此，绝对不允许在电源线两端并联间隙类型的器件。

如何防止续流呢？一般是在放电管的分路接入非线性电阻器，最常见的是将放电管与氧化锌压敏电阻器串联后接入电路。如图2所示。该电路的工作原理将在3.3中分析。

3.2铁路信号设备专用电源防雷保安器不宜单独采用易于劣化的压敏电阻器与电源线并联

目前大家使用的氧化锌压敏电阻器是一种双向限幅的非线性固体器件，它的伏-安特性好似对顶的两个二极管限幅器，如图3中的曲线1，它的电流—电压关系是非线性的。当加在它两端的电压低于某个阈值电压，即“压敏电压”时，它的电阻值极大，为兆欧级（10⁶Ω）；而当加在它两端的电压超过压敏电压后，电阻值随电压的增高急速下降，可小到欧姆级甚至毫欧姆级。同时，将外加电压限制在某个阈值，因此，我们称压敏电阻器为限压型元件。和所有的固体器件一样，压敏电阻器接入电路即器件两端有电压后，即使该电压低于器件工作的阈值，在电路中也有漏电流。压敏电阻器是非线性器件，曲线1可见，电压的增高使漏电流大大增加。还有一点要说明的是，目前生产的压敏电阻器相当多是负温度系数器件，即压敏电阻器温度越高，电阻越小，那么，漏电流就越大。我们在选择电源设备用压敏电阻器时，通常使被保护电源的电压在压敏电阻器的标称电压值的75%以下很多（这种工况下，压敏电阻器的漏电流很小），使用压敏电阻器标称值太低，容易使压敏电阻器在电源电压正波动时误动作，太高会使压敏电阻器的残压过高而降低防护效果。在这种情况下，若电压正波动，由曲线1可以看出，漏电流将大大的增加，由漏电流引起的压敏电阻器温度上升是非常严重的（压敏电阻器温度与I²Rt成正比，I是漏电流，R是压敏电阻器的内阻，一般为10⁶Ω，作用时间越长，温升越高），负温度系数的压敏电阻器温升越高漏电流就越大，而温升与电流的平方成正比，因此温升成几何级数增加，出现恶性循环，使压敏电阻器劣化。铁路沿线使用的电网电源的负荷比较复杂，电压波动比较大，因此出现劣化无雷自毁或无雷自燃的几率较大。这也是许多国家不允许单独采用易于劣化的压敏电阻器与电源线并联的原因。当然，当压敏电阻器具有正温度系数特性时，压敏电阻器在电网电源电压波动大时，这种情况也许不会发生。

3.3 并联型防雷保安器的接线应当尽量地短

4 不当使用电源防器的事故介绍

纯压敏电阻电源防雷器引起的无雷自毁。

纯压敏电阻电源防雷器引起的无雷自毁在电源波动较大的地区时有发生。据笔者了解，一些发生电源防雷器无雷自毁或无雷自爆的现场，使用方都责令供货商更换了电源防雷器，但厂商在更换防雷器时，将压敏电阻芯片换为标称电压更高的阀片，因此杜绝了无雷自毁的再次发生。但标称电压越高，压敏电阻的残压也越高，牺牲了防雷效果来换取不出现压敏电阻防雷器无雷自毁，这违反了防雷器标准关于不同使用场合防雷器限制电压不同的规定。

2005年国庆期间，南方某车站信号楼网电供电的一路单相电源防雷器发生自毁，更换一台同型号的电源防雷器后不久，新换的防雷器仍然劣化显示动作，现场不得已，只好将该防雷器的相线拆除（纯压敏电阻电源防雷器引起的无雷自毁都发生在L—PE间的模块）。测试该路电源电压发现，因国庆期间电源负荷轻而电压在白天上升较大，而该型号的电源防雷保安器采用的是两片压敏电阻，厂家在说明书中说，采用的压敏电阻的漏电流小于200μA。我们分析，这次防雷器发生自毁有两个原因。首先，采用纯压敏电阻的电源防雷器在电源正波动时，压敏电阻容易出现劣化。其次压敏电阻的漏电流超过TB/T2311的规定，漏电流大，发生劣化的可能性就更大。后一个理由是该案例中，更换后的新防雷器劣化显示很快会动作的原因。

雷电防护的特点是雷害是小概率事件，而现场不能立即验证防雷器对雷害的防御性能。所以应当严格参考模拟雷击试验的结果选择合适的防雷器件。此外，正确的安装对防护效果的影响极大，所以，在笔者参与编制的国际标准IEC 62305-4中，提到了SPD的合理适当选型、能量配合及正确安装等概念。

参考文献：

1、IEC 61643-12 Low-voltage surge protective devices-Part 2:Surge protective device connected to low-voltage power distribution systems-Selection and application principles。

2、Overvoltage protection of low voltage system Peter Hasse ，London England，2^nd edition 2000 ，Michael Faraday House.

3、邱传睿.对铁路系统两次雷害的分析及思考 , 2000年11月，南京：全国电磁兼容委员会防雷专业委员会论文集。