鐵路信號SPD的選擇與安裝的思考

孫鑫

摘要： 鐵路信號系統(tǒng)智能化、集成化和數(shù)字化是邁向高速時代的中國鐵路發(fā)展方向。對于信號設(shè)備的防雷和浪涌保護越來越至關(guān)重要。按照現(xiàn)代防雷要求，科學(xué)合理選擇和安裝SPD可以降低在雷電條件下設(shè)備發(fā)生故障的概率，提高設(shè)備運行的可靠性與安全性。

Abstract： Intelligent， integrated and digital railway signal system is the development trend of China railway at the high-speed era. The lightning protection and surge protection is more and more important. On the request of modern lightning， scientific and reasonable choice and installation of SPD can reduce the probability of equipment failure when lightning， and improve the reliability and safety of equipment operation.

關(guān)鍵詞： SPD；雷害；安全

Key words： Surge Protective Device（SPD）；lightning；safety

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）03-0184-02

0 引言

由于現(xiàn)代通信信號設(shè)備集成化程度高和電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，雷害產(chǎn)生的電磁脈沖對設(shè)備的損害就更容易發(fā)生。對鐵路信號系統(tǒng)采用綜合防雷手段，可能將雷電降低到最低的限度，減少信號系統(tǒng)遭受雷電損害的風(fēng)險。而在綜合防雷系統(tǒng)中，科學(xué)合理的選擇和安裝SPD（浪涌保護裝置）就至關(guān)重要。等電位防護是綜合防雷系統(tǒng)的核心，SPD與接地系統(tǒng)的合理連接是實現(xiàn)等電位防護的關(guān)鍵。

1 SPD的概念

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 4365-1995《電磁兼容術(shù)語規(guī)定》，SPD（Surge Protective Device）的漢語譯名為“浪涌（沖擊）防護裝置”。ICE將SPD定義為“用做限制瞬態(tài)過電壓和泄放浪涌（沖擊）電流的裝置。它至少應(yīng)該包含一個非線性的元件”。ITU將SPD定義為“用來減少具有有持續(xù)時間的浪涌過電壓和過電流的一種裝置，它可能只含有一個器件或者有較為復(fù)雜的設(shè)計，集合幾種功能。它至少包含一個非線性的器件?！庇纱丝梢姡琒PD的含義是用來降低持續(xù)時間有限的浪涌（沖擊）過電壓和過電流的裝置，它可以由單個非線性元件加工成，可以由多個非線性元件組合而成，也可以是非線性元件和線性元件多功能集合而成。

用于電氣電子設(shè)備的SPD為低壓SPD。計算機設(shè)備和通信信號設(shè)備的低壓電源和通信數(shù)據(jù)傳輸線的浪涌保護器都屬于這一個范疇。在計算機設(shè)備和通信信號設(shè)備的電源線、通信線和數(shù)據(jù)線的接口處安裝浪涌保護器，使電源線、通信線和數(shù)據(jù)線與地線間在發(fā)生雷害時與接地系統(tǒng)連接實現(xiàn)等電位防護。

在不同的線路中SPD的作用均不同，用來限制由電源線侵入電源屏的雷過壓和過流的SPD稱之為電源SPD；用來限制由數(shù)據(jù)傳輸、通信信號線路侵入信息交換傳輸設(shè)備的雷過壓和雷過流的SPD稱之為通道SPD；和被防護電路并聯(lián)的SPD叫做并聯(lián)型SPD（并聯(lián)型SPD有分離的輸入和輸出端子，但在輸入輸出端子見沒有串聯(lián)阻抗）：有輸入和輸出兩組端子的SPD叫作串聯(lián)型SPD（在輸入和輸出端子間串聯(lián)有規(guī)定阻抗）。

2 SPD的作用

裝設(shè)SPD的目的是在雷電電磁脈沖與需要防護的設(shè)備之間提供適當(dāng)?shù)乃矐B(tài)過電壓防護。因為雷電可以在電源線和數(shù)據(jù)線或者通信線上感應(yīng)出過電壓。出現(xiàn)過電壓的類型為兩種。一種作為電壓差出現(xiàn)在兩條線之間，稱之為差模電壓。另一種作為電壓差出現(xiàn)在每一條線和地線之間，稱之為共模電壓。對于電纜來說，因為每條線暴露在過雷電電磁脈沖的條件相同的情況下，因此只會產(chǎn)生共模電壓。但若安裝在每一條對稱的線路和地線間的防雷保安器響應(yīng)時間存在差異，則會出現(xiàn)差模電壓。

計算機設(shè)備上的雷過壓可能出現(xiàn)的位置：①雷過壓發(fā)生在通信或者數(shù)據(jù)線之間和線路對地線之間；②感應(yīng)雷過壓發(fā)生在電源線與地線之間、電源線與中性線之間和中性線與地線之間；③感應(yīng)雷過電壓同時發(fā)生在通信線或數(shù)據(jù)線及電源線上；④感應(yīng)雷過壓發(fā)生在保護接地上。

綜上所述，發(fā)生雷害時每一條線和地線之間產(chǎn)生雷過壓的是共模電壓，應(yīng)進行共模防護（縱向防護）。線路間的產(chǎn)生的雷過壓是差模電壓，應(yīng)進行差模防護（橫向防護）。對于信號室內(nèi)設(shè)備應(yīng)當(dāng)對電源線和通信信號線路及數(shù)據(jù)傳輸線路都應(yīng)加上共模防護和差模防護。

3 SPD的基本要求

浪涌保護裝置在平時沒有雷電災(zāi)害干擾時必須對接入的電路無影響。因此無雷電災(zāi)害干擾時必須滿足以下要求：

3.1 傳輸安全

①對雷電的箝位必須準(zhǔn)確，不得箝位工作信號電平、電源電壓；

②插入損耗必須小、不得降低信號傳輸速率；

③不得使輸入輸出信號發(fā)生畸變；

④不得降低設(shè)備絕緣；

⑤SPD的漏泄電流必須??；

⑥必須和被防護的設(shè)備的特性阻抗匹配。

在對于電源線防雷，要求做到“安全第一，防護第二”這是針對電源SPD工作在較大電壓和電流下，SPD自身的安全比防雷重要。對于通信信號線路和數(shù)據(jù)線防雷，要求做到“傳輸?shù)谝?，防護第二”，傳輸通信信號和數(shù)據(jù)交換在線路中實時都在進行，通道SPD接入后不應(yīng)導(dǎo)致傳輸時斷時續(xù)。

3.2 防護要求 SPD是保護計算機設(shè)備、通信信號設(shè)備、電子設(shè)備的安全產(chǎn)品，防雷時應(yīng)該做到電磁兼容作用。雷電發(fā)生時，SPD必須做到：

①SPD應(yīng)做到動作迅速，在雷電入侵時立即動作，將電壓一直在能保證設(shè)備安全運轉(zhuǎn)的參數(shù)之下；

②SPD的功率可以經(jīng)受住大部分雷擊而不會被損壞，并應(yīng)能承受多次雷擊而不會劣化；

③雷害作用完成后，SPD必須立即恢復(fù)常態(tài)，影響系統(tǒng)正常工作時間必須小到微秒計。

4 SPD的選擇

選擇SPD，要根據(jù)經(jīng)常承受的浪涌過電壓的強度而定，同時也要兼顧安裝的位置。從防雷功能上講，對SPD的主要要求只有上述兩個當(dāng)面，即傳輸要求與防護要求。

4.1 電源SPD的選擇

①選擇最大工作電壓大于實際工作電壓加上電源波動正差值得SPD；

②選擇各級SPD的通流容量大于該處期望的雷電電流值SPD；

③應(yīng)該采用多級防護，各級質(zhì)監(jiān)必須盡可能協(xié)調(diào)配合。

表1是描述電源設(shè)備最大雷電沖擊表，實際選擇都應(yīng)該大于表中的的參數(shù)。SPD是按照所防護場地雷電磁脈沖環(huán)境最不利的條件設(shè)計的。其出現(xiàn)最不利的情況如表1所示，表中的參數(shù)是由線路傳到來的感應(yīng)雷電，并非直擊。其中A區(qū)指的是遠(yuǎn)離配電柜的用戶電源插座和計算機；B區(qū)靠近配電柜的電源子系統(tǒng)；C區(qū)計算機機房配電非暴露環(huán)境。

4.2 信號設(shè)備的SPD選擇 鐵路信號設(shè)備SPD是用于限制由信號傳輸線（除了道岔轉(zhuǎn)化裝置控制設(shè)備外）侵入鐵路信號設(shè)備的雷電瞬時過電壓及過電流的浪涌保護器。有些信號設(shè)備使用的通道SPD和電源SPD 相似，但是鐵路信號電纜上的期望的雷電流值確實較小，與通道SPD在一個數(shù)量級上，所以會誤認(rèn)為選用了電源SPD。鐵路SPD的選擇與電源SPD的選擇相同，一般情況下，信號設(shè)備選用的SPD安裝位置的雷電流期望值不會大于5kA。

4.3 通信與數(shù)據(jù)線SPD的選擇 根據(jù)“路”與“場”的防護原則，選擇安裝在線路進入機械室的端口和設(shè)備與線路之間的連接的端口的SPD。對于通信與數(shù)據(jù)線路中的通道SPD，上文提到過了，防雷本身的差損、誤碼率和反射衰耗等傳輸參數(shù)十分鐘要，因此選擇通道SPD是一定要注意不能因為接入而使傳輸受損。表2就是通信和數(shù)據(jù)線路的最大雷電沖擊表，實際選擇都應(yīng)該大于表中的的參數(shù)。其中C區(qū)計算機機房接線端子非暴露環(huán)境。

5 SPD的安裝

5.1 建議SPD的安裝位置 IEC623054系列標(biāo)準(zhǔn)建議電源SPD安裝位置：①在建筑物得入口處安裝第一級防護，一般在住配電柜上；②配線盤上；③靠近被保護電源設(shè)備的插孔處。

IEC623054系列標(biāo)準(zhǔn)建議通信和數(shù)據(jù)線SPD安裝位置：①通信和信號網(wǎng)絡(luò)線路進入建筑物處安裝第一級SPD；②在設(shè)備的入口處安裝SPD。

多級防護的可以使電流逐級排放，使雷電壓逐級箝位，達(dá)到限制雷電流和雷電壓的目的。第一個位置的防護—戶外交流電源饋線引入（引出）處的SPD的任務(wù)就是將外線傳到的幅值較的雷電流泄放入地，減輕下級負(fù)擔(dān)。最后一級SPD的殘壓必須必被保護設(shè)備的耐壓能力低。

5.2 SPD的連接 由于連接線路地壓降會使防護的效果變壞。并聯(lián)SPD（凱文接法）與被保護線路，使線路進入SPD接線端子后再離開，每一個端子有一進一出的兩條線，線路與端子的距離為零。這樣可以使并聯(lián)接線最短減少接線的附加電壓，如圖1所示。其次，還應(yīng)該注意不能使SPD的輸入輸出線考的太緊，瞬態(tài)過電壓是沿著從源點到侵害點的線路以耦合的方式來傳到的。

6 總結(jié)

按照規(guī)范合理設(shè)置浪涌保護器（SPD）不僅可以均衡機械室內(nèi)的電源線路、通信信號線和數(shù)據(jù)傳輸線路與地線之間的電位，而且在正常工作時不會箝位正常工作電壓或影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼＿M行。線路間的電位差變成浪涌保護器的限制電壓從等電位防護角度來說，設(shè)置浪涌保護器（SPD）與接地系統(tǒng)是等電位防護的重要一環(huán)。

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