牽引供電系統(tǒng)二次設備防雷保護研究

溫建民

0 引言

中國是個雷害發(fā)生較多的國家，雷害發(fā)生的情況全國各地不一樣，各地的年雷電日也不相同，如南部亞熱帶地區(qū)就是雷電活動比較頻繁的多雷區(qū)，尤其是多山區(qū)的地方，雷害的發(fā)生就更為突出。近十年來，隨著牽引變電所保護、遠動、通訊等微機保護系統(tǒng)的升級，牽引變電所內(nèi)使用了大量的半導體、大規(guī)模集成電路等微電子元件，這些微電子元件的耐過電壓、過電流水平比原來的晶體管電路脆弱了許多，晶體管設備的工頻耐壓水平可達到500～1 000 V，而大規(guī)模集成電路的工作電壓只有幾伏，工作電流只有幾毫安，工頻耐壓水平不到100 V。因此在牽引變電所的保護、遠動、通訊等弱電設備大量采用微機保護系統(tǒng)的同時，必須相應的研究這些二次設備的防過電壓措施。

1 牽引變電所二次設備防雷保護

通常將低壓系統(tǒng)中的瞬態(tài)電沖擊，包括電壓沖擊，電流沖擊和功率沖擊，稱為電涌（Surge），這里所謂瞬態(tài)是指持續(xù)時間大大低于工頻周期（0.02 s）的瞬變過程。雷電電涌都是由直接、鄰近或遠處雷擊造成的。目前變電所在設計中就已經(jīng)采用布置避雷針和架設避雷網(wǎng)的方式有效防止所內(nèi)設備遭受直接雷擊，因此直接雷擊是指雷擊避雷針或避雷網(wǎng)。鄰近雷擊是指雷擊在與二次系統(tǒng)直接相連的延伸系統(tǒng)或管線（如管道、數(shù)據(jù)傳輸線）上。遠處雷擊則主要指雷擊架空線，包括繞擊、反擊和感應在傳輸線上產(chǎn)生的雷電過電壓行波。

雷電或大容量電氣設備的操作在供電系統(tǒng)內(nèi)外部產(chǎn)生浪涌，其對低壓供電系統(tǒng)和用電設備的影響已成為人們關注的焦點。低壓供電系統(tǒng)的外部浪涌主要來自雷擊放電，由一次或若干次單獨的閃電組成，每次閃電都攜帶若干幅值很高、持續(xù)時間很短的電流。一個典型的雷電放電將包括二次放電或三次放電的時間。大多數(shù)閃電電流每次閃電之間大約相隔1/20 s 的時間。大多數(shù)閃電電流在10～100 kA 的范圍之內(nèi)降落，其持續(xù)時間一般小于100 μs。

低壓供電系統(tǒng)的內(nèi)部浪涌主要來自供電系統(tǒng)中大容量設備、變頻設備和非線性用電設備的使用，給供電系統(tǒng)帶來日益嚴重的內(nèi)部浪涌問題。供電系統(tǒng)的內(nèi)外部浪涌對一些敏感的電子設備，即便是很窄的過電壓沖擊也會造成設備的電源部分或全部電子設備損壞。

1.1 所用變壓器的防雷保護

所用變壓器是交流供電系統(tǒng)的重要設備，對所用變壓器需采取防雷保護措施，一方面可以防止變壓器自身受到雷電過電壓的損壞，提高向建筑物內(nèi)電子設備供電的可靠性；另一方面也可以防止雷電過電壓波通過變壓器傳播到建筑物內(nèi)的電源系統(tǒng)，保護電子設備。所用變壓器的接線保護見圖1。

圖1 所用變壓器的接線保護圖

由圖1 可見，在變壓器的高、低壓側均裝設3個避雷器。低壓側裝3 個低壓氧化鋅避雷器，是為了限制低壓側出現(xiàn)的暫態(tài)過電壓和有效抑制正、反變換過程在高壓側產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓，避雷器的接地應就近接在變壓器的金屬外殼上。

1.2 交直流電源系統(tǒng)防雷保護

對于低壓供電系統(tǒng)，浪涌引起的瞬態(tài)過電壓保護，應采用分級保護的方式完成。從供電系統(tǒng)的入口（如交直流屏）開始逐步進行浪涌能量的吸收，對瞬態(tài)過電壓分3 級進行防護，如圖2 所示。

圖2 組合式電源避雷器電路圖

（1）第一級保護。所用變壓器低壓側安裝的電源SPD 作為第一級保護時應為三相電壓開關型電源SPD，其雷電通流量不應低于60 kA，應是連接在用戶供電系統(tǒng)入口進線各相和大地之間的大容量電源SPD。第一級電源SPD 可防范10/350 μs的雷電波，達到IEC 規(guī)定的最高防護標準。

（2）第二級保護。交流屏輸出電源SPD 作為第二級保護時應為限壓型電源SPD，其雷電通流量不應低于20 kA；應該是安裝在向重要或敏感用電設備供電的分路配電設備處的電源SPD。第二級電源SPD 采用C 類保護器進行相-中、相-地、中-地的全模式保護。

（3）第三級保護。在電子信息設備交流電源進線端安裝電源SPD 作為第三級保護時應為串接式限壓型電源 SPD，其雷電通流量不應低于10 kA。

最后防線可在用電設備內(nèi)部電源部分使用一個內(nèi)置式的電源SPD，以達到完全消除微小的瞬態(tài)過電壓的目的。該處使用的電源SPD 要求的最大沖擊電流為20 kA 或更低一些，要求的限制電壓應小于1 000 V。對于一些特別重要或特別敏感的電子設備，具備第三級保護是必要的。同時也可保護用電設備免受系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓影響。

1.3 UPS 的雷電防護

UPS 在實際應用中，經(jīng)常出現(xiàn)不僅不能有效保護電源而且自己也常被雷擊壞的現(xiàn)象，因UPS 為其他設備提供不間斷、凈化電源，安裝在重要設備的前端，所以當雷電直擊到低壓電源線或在電纜上產(chǎn)生感應雷電時，電源導線上的過流、過壓經(jīng)過配電系統(tǒng)，首先沖擊UPS，而UPS 的穩(wěn)壓范圍一般單相在160～260 V，三相在320～460 V。要防止瞬間10～20 kV 的雷電沖擊波的過壓幅值是不可能的，這就是UPS 遭雷電擊壞的主要原因。

為此在需電源進線總配電箱前安裝并聯(lián)式電源專用高能量避雷器，構成第一級防護（衰減）。在機房配電柜空氣開關后，安裝適當容量的并聯(lián)式低壓電源避雷器，構成電源系統(tǒng)的第二級防護（限壓）。在UPS 電源端安裝適當容量的串聯(lián)式低壓電源避雷器，構成第三級防護，以保證UPS 的安全可靠運行。

對于有信號或通信接口的UPS 為防止雷電波從信號或通信線引入，必須在信號或通信線接口處加裝相應的信號避雷器。

1.4 弱電設備的信號側保護

統(tǒng)計表明：約50%雷電浪涌危險來自信息側。電氣、電子設備和信息技術設備包含電源側和信息側2 個部分。信息側及其內(nèi)部電路較電源側更為脆弱，故需設電涌保護。信號線電涌保護器與電源電涌保護器基本相同，但其工作電壓（電平）較低壓電源低得多，不到100 V，或幾十伏、幾伏甚至在1V 以下；沖擊耐受電壓相應很低，一般在2～2.5倍工作電壓的水平；工作頻率（模擬信號）/速率（數(shù)字信號）較交流電源高得多，頻率甚至達到微波MHz 頻段，速率達到1 000 Mb/s。因此，信息側保護器件要達到很低的電壓保護水平；要在一個保護器中將很高的電涌能量削減到很低的水平；要能避免高頻下雜散電容的不利影響。

信息線路電涌保護器的配置方案，信息線路由戶外進入有外部防雷系統(tǒng)的建筑物時，在進入處應配置具有一定沖擊電流通流容量的保護器。

1.5 SPD 的選擇與配置

SPD 選擇的原則有3 項：

（1）因電涌保護器（SPD）是安裝在電源線、信號線路上，所以應考慮SPD 安裝位置，SPD 組合形式，SPD 的通流量、負載能力、殘壓和響應速度等，以便與被保護設備適配。

（2）當選用SPD 組合時，要考慮各級之間能量配合，和SPD 與被保護設備的配合。

（3）常規(guī)的多級SPD 通流量是逐級減小的，低壓供電系統(tǒng)第一級選用大通流量SPD 安裝在LPZ0B與LPZ1 界面處，第二級、第三級選通流量較小的SPD 安裝在相應的防雷區(qū)界面處。

電源SPD 的系統(tǒng)配置如下：

（1）一級防護，電源進線為埋地引入電纜在電源交流屏處安裝浪涌保護器。浪涌保護器標稱通流容量波≥60 kA（8/20 μs 波形），其標稱導通電壓Un≥3Uc（Uc為最大工作電壓）、響應時間≤50 ns。

（2）二級防護，在設備前安裝浪涌保護器。浪涌保護器標稱通流容量≥20 kA（8/20 μs 波形），標稱導通電壓Un≥3Uc（Uc為最大工作電壓）、響應時間≤50 ns。

（3）直流電源防護，在二次（直流）電源的設備前宜安裝低壓直流電源浪涌保護器。其標稱通流容量≥10 kA（8/20 μs 波形），標稱導通電壓Un≥1.5Uz（Uz為直流工作電壓）、響應時間≤50 ns。

2 結論及建議

牽引變電站與接觸網(wǎng)是電氣化鐵道供電系統(tǒng)的“心臟”與“血管”，一旦發(fā)生雷害事故，將造成大范圍停電，嚴重威脅運輸安全。因此，牽引變電站的雷電過電壓防護措施必須可靠。結論及建議如下：

（1）牽引變電所輸電線路絕緣水平低，感應及直擊雷均容易引起線路跳閘，需采取防雷措施以保護二次設備回路，降低線路跳閘率。

（2）所用變壓器的防雷保護在變壓器的高低壓側均應裝設避雷器。

（3）交直流電源系統(tǒng)、UPS 防雷保護應采用分級保護的方式配置SPD 防護。

（4）信息線路、戶外低壓回路進入有外部防雷系統(tǒng)建筑物時，在進入處應配置防雷保護器。

（5）在照明及動力線路各加裝一組II 級電源防雷保護器，同時在不自帶III 級防雷保護器的設備前端，加裝III 級防雷保護器。

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