信號(hào)樓低壓配電系統(tǒng)SPD應(yīng)用研究

韓成 馬峰超

摘 要：信號(hào)綜合樓對(duì)鐵路正常運(yùn)行至關(guān)重要，而感應(yīng)雷則會(huì)對(duì)其內(nèi)部的低壓供電系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，需設(shè)計(jì)有效的SPD設(shè)置方案，對(duì)信號(hào)樓進(jìn)行雷擊電磁脈沖防護(hù)。本文結(jié)合相關(guān)國家及鐵路行業(yè)相關(guān)規(guī)范，通過對(duì)SPD的工作原理、設(shè)備特點(diǎn)、主要參數(shù)等進(jìn)行研究分析，總結(jié)出合理可行的信號(hào)樓低壓配電系統(tǒng)SPD安裝位置及使用型號(hào)。

關(guān)鍵詞：信號(hào)樓；防雷；浪涌保護(hù)器

中圖分類號(hào)：TU895 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

鐵路信號(hào)綜合樓內(nèi)與行車相關(guān)的重要設(shè)備較多，通信信號(hào)等設(shè)備的供電安全和正常運(yùn)轉(zhuǎn)直接關(guān)系到鐵路的運(yùn)營安全。在實(shí)際工況中，雷擊電磁脈沖往往是以導(dǎo)線傳播和輻射傳播同時(shí)發(fā)生的方式，引起對(duì)低壓供電系統(tǒng)和弱電系統(tǒng)的危害。進(jìn)入建筑物內(nèi)部防雷區(qū)的線路防雷擊電磁脈沖主要通過設(shè)置浪涌保護(hù)器（SPD）加以控制，通常設(shè)置在各防雷保護(hù)區(qū)的交界面處。

1 浪涌保護(hù)器工作原理

浪涌保護(hù)器（SPD）是一種用于限制瞬時(shí)過電壓和泄放電涌電流的電器，它至少包括一個(gè)非線性的元件，利用放電間隙、氣體放電管或壓敏電阻的相關(guān)特征，通過把瞬時(shí)的過電流導(dǎo)入大地對(duì)過電壓進(jìn)行限制，系統(tǒng)端的電壓與限制器上的電壓相等，并同限制器導(dǎo)通后的殘余電壓相等。浪涌保護(hù)器工作原理如圖1所示。

2 浪涌保護(hù)器分類

浪涌保護(hù)器（SPD）分為電壓開關(guān)型和限壓型兩種。

2.1電壓開關(guān)型SPD

（1）當(dāng)沒有過電壓（無電流流過）時(shí)，它具有高阻抗特性。當(dāng)有過電壓時(shí)，阻抗在100ns內(nèi)迅速降到0.1Ω～1Ω。

（2）電壓保護(hù)水平Up：當(dāng)釋放沖擊電流到地面時(shí)，由接線端子之間的電涌保護(hù)器給定的電壓。它直接由變阻器和火花間隙產(chǎn)生，不可超過連接在下級(jí)設(shè)備的耐受電壓值。

（3）沖擊電流Iimp：測試該器件一般采用10/350μs的模擬雷電。

（4） 通常將其安裝于相關(guān)建筑物的LPZ0與LPZl交界位置，以便盡可能多地消除電網(wǎng)后續(xù)電流，從而對(duì)10/350μs的雷電沖擊電流進(jìn)行疏解。

電壓開關(guān)型浪涌保護(hù)器工作原理如圖2所示。

2.2 限壓型SPD

（1）在沒有浪涌情況下處在高阻狀態(tài)，在浪涌電流和浪涌電壓增大時(shí)，它的阻抗會(huì)持續(xù)減小。

（2）殘壓比較低，一般采用8/20μs的模擬雷電來測試該器件。

（3）通常安裝于雷電保護(hù)區(qū)建筑物內(nèi)，常用于II級(jí)或II級(jí)以下的操作過電壓保護(hù)及雷電過電壓保護(hù)。用于對(duì)8/20μs雷電沖擊電流進(jìn)行疏導(dǎo)，存在逐級(jí)限制雷電過電壓的重要保護(hù)作用。

其工作原理如圖3所示。

3 浪涌保護(hù)器主要參數(shù)

（1）Uc—最大持續(xù)運(yùn)行電壓，即直流電壓或交流電壓有效值，亦即不斷加于浪涌保護(hù)器后特性發(fā)生變化或不被激活的電壓峰值。

（2）In—標(biāo)稱放電電流，可耐受波形為8/20μs電流波的最高值，并耐受多次（按要求規(guī)定）而不會(huì)受到損壞，這個(gè)指標(biāo)主要反映了浪涌保護(hù)器分級(jí)上。

（3）Imax—最大放電電流，即通過電流的能力，可耐受波形為8/20μs的浪涌最大值一次，也可以說是破壞性試驗(yàn)，最大放電電流是標(biāo)稱放電電流的兩倍。

（4）Iimp—沖擊放電電流，可耐受波形為 10/350μs的最大電流值試驗(yàn)，可體現(xiàn)耐受直擊雷水平，自到達(dá)峰值開始，波形為10/350μs的電流波較波形為8/20μs的電流波含有的能量大很多，沖擊放電電流為Ⅰ級(jí)分類試驗(yàn)項(xiàng)目，但最大放電電流屬于Ⅱ級(jí)分類試驗(yàn)項(xiàng)目。

（5）Up—電壓保護(hù)器能力，屬于體現(xiàn)浪涌保護(hù)器限制接線端子間電壓性能的重要參數(shù)，可以將端子間電壓限制在小于其值的范圍內(nèi)。

4 浪涌保護(hù)器的選型及安裝位置

4.1 低壓線路總配電箱的SPD選型

根據(jù)有關(guān)防雷設(shè)計(jì)規(guī)范及鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有如下規(guī)定：

（1）應(yīng)在低壓電源線路進(jìn)線處的總配電箱、配電柜處裝設(shè)通過Ⅰ級(jí)分類試驗(yàn)驗(yàn)證的SPD，它的電壓保護(hù)水平值應(yīng)不大于2.5 kV。

（2）每一個(gè)保護(hù)模式下的雷電沖擊電流值，若無法確定，應(yīng)按照不小于12.5 kA取值。

（3）如果有低壓線路從設(shè)置變電所的建筑物內(nèi)引出，并敷設(shè)至其他設(shè)有獨(dú)立接地裝置的設(shè)備時(shí)，應(yīng)在變電所的低壓母線上裝設(shè)通過Ⅰ級(jí)分類試驗(yàn)驗(yàn)證的SPD，SPD每一個(gè)保護(hù)模式的沖擊電流值，若無法確定，應(yīng)按照不小于12.5 kA取值。

（4）如果沒有低壓線路從設(shè)置變電所的建筑物內(nèi)引出，應(yīng)在母線上裝設(shè)通過Ⅱ級(jí)分類試驗(yàn)的SPD，其每一保護(hù)模式下的In值，應(yīng)按照不小于5 kA取值，SPD的電壓保護(hù)水平值應(yīng)不大于2.5 kV。

4.2 Up的選擇

（1）根據(jù)GB50057—2010 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》6.4.6條，SPD的有效電壓保護(hù)水平， 應(yīng)符合下列規(guī)定：

限壓型SPD：

Up/f=Up+ΔU （1）

開關(guān)型SPD，應(yīng)取下列公式中的較大者：

Up/f=Up或Up/f=ΔU （2）

式中：Up/f為SPD的有效電壓保護(hù)水平（kV）；ΔU為SPD兩端引線的感應(yīng)電壓，戶外線路引入建筑物按照1kV/m，其后的按照ΔU=0.2Up。

可選用有較小電壓保護(hù)水平值的SPD，從而可以取得較小的SPD有效電壓保護(hù)水平。

（2）配電設(shè)備耐沖擊過電壓類別、額定值及電源SPD裝設(shè)位置詳見表1。

電源線路浪涌保護(hù)器在各個(gè)位置安裝時(shí)，浪涌保護(hù)器的連接導(dǎo)線應(yīng)短直，其總長度不宜大于0.5m。有效保護(hù)水平Up/f應(yīng)小于設(shè)備耐受沖擊電壓額定值Uw。

4.3 Iimp 、In值的選擇

由表3中數(shù)據(jù)可得，TN系統(tǒng)中Uc不應(yīng)小于1.15U0 （253V）。

4.5 信號(hào)綜合樓SPD設(shè)置方案

通過以上研究分析，信號(hào)樓內(nèi)SPD安裝位置及型號(hào)為：

（1）在總照明配電箱處可以安裝Iimp≥12.5kA（10/350μs波形）的開關(guān)型SPD；也可以安裝In≥50kA（8/20μs波形）的限壓型浪涌保護(hù)器作為一級(jí)防護(hù)，有效電壓保護(hù)水平小于或等于2.5kV，最大持續(xù)運(yùn)行電壓大于或等于253V。

（2）在樓層分配電箱安裝標(biāo)稱放電電流In≥10kA（8/20μs波形）的限壓型SPD作為二級(jí)防護(hù)，有效電壓保護(hù)水平不大于2.5kV，最大持續(xù)運(yùn)行電壓不小于253V。

（3）在通信、信號(hào)配電箱處安裝標(biāo)稱放電電流In≥5kA（8/20μs波形）的限壓型SPD，有效電壓保護(hù)水平不大于2.5kV。

（4）在通信、信號(hào)等電子系統(tǒng)的引入端弱電箱內(nèi)裝設(shè)的浪涌保護(hù)器由系統(tǒng)供應(yīng)商負(fù)責(zé)提供。

結(jié)論

信號(hào)綜合樓作為鐵路正常運(yùn)行的重要保障，預(yù)防雷擊危害極其重要。本文根據(jù)國家及鐵路相關(guān)規(guī)程、規(guī)范，并結(jié)合鐵路行業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)信號(hào)樓低壓配電系統(tǒng)中SPD的使用進(jìn)行了分析和總結(jié)，對(duì)實(shí)際工程的防雷設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。

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