信號樓低壓配電系統SPD應用研究

韓成 馬峰超

摘 要：信號綜合樓對鐵路正常運行至關重要，而感應雷則會對其內部的低壓供電系統產生嚴重影響，需設計有效的SPD設置方案，對信號樓進行雷擊電磁脈沖防護。本文結合相關國家及鐵路行業相關規范，通過對SPD的工作原理、設備特點、主要參數等進行研究分析，總結出合理可行的信號樓低壓配電系統SPD安裝位置及使用型號。

關鍵詞：信號樓；防雷；浪涌保護器

中圖分類號：TU895 文獻標志碼：A

鐵路信號綜合樓內與行車相關的重要設備較多，通信信號等設備的供電安全和正常運轉直接關系到鐵路的運營安全。在實際工況中，雷擊電磁脈沖往往是以導線傳播和輻射傳播同時發生的方式，引起對低壓供電系統和弱電系統的危害。進入建筑物內部防雷區的線路防雷擊電磁脈沖主要通過設置浪涌保護器（SPD）加以控制，通常設置在各防雷保護區的交界面處。

1 浪涌保護器工作原理

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

2 浪涌保護器分類

浪涌保護器（SPD）分為電壓開關型和限壓型兩種。

2.1電壓開關型SPD

（1）當沒有過電壓（無電流流過）時，它具有高阻抗特性。當有過電壓時，阻抗在100ns內迅速降到0.1Ω～1Ω。

（2）電壓保護水平Up：當釋放沖擊電流到地面時，由接線端子之間的電涌保護器給定的電壓。它直接由變阻器和火花間隙產生，不可超過連接在下級設備的耐受電壓值。

（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建筑物的LPZ0與LPZl交界位置，以便盡可能多地消除電網后續電流，從而對10/350μs的雷電沖擊電流進行疏解。

電壓開關型浪涌保護器工作原理如圖2所示。

2.2 限壓型SPD

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

（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區建筑物內，常用于II級或II級以下的操作過電壓保護及雷電過電壓保護。用于對8/20μs雷電沖擊電流進行疏導，存在逐級限制雷電過電壓的重要保護作用。

其工作原理如圖3所示。

3 浪涌保護器主要參數

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

（2）In—標稱放電電流，可耐受波形為8/20μs電流波的最高值，并耐受多次（按要求規定）而不會受到損壞，這個指標主要反映了浪涌保護器分級上。

（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，最大放電電流是標稱放電電流的兩倍。

（4）Iimp—沖擊放電電流，可耐受波形為 10/350μs的最大電流值試驗，可體現耐受直擊雷水平，自到達峰值開始，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級分類試驗項目，但最大放電電流屬于Ⅱ級分類試驗項目。

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

4 浪涌保護器的選型及安裝位置

4.1 低壓線路總配電箱的SPD選型

根據有關防雷設計規范及鐵路行業標準，有如下規定：

（1）應在低壓電源線路進線處的總配電箱、配電柜處裝設通過Ⅰ級分類試驗驗證的SPD，它的電壓保護水平值應不大于2.5 kV。

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

（3）如果有低壓線路從設置變電所的建筑物內引出，并敷設至其他設有獨立接地裝置的設備時，應在變電所的低壓母線上裝設通過Ⅰ級分類試驗驗證的SPD，SPD每一個保護模式的沖擊電流值，若無法確定，應按照不小于12.5 kA取值。

（4）如果沒有低壓線路從設置變電所的建筑物內引出，應在母線上裝設通過Ⅱ級分類試驗的SPD，其每一保護模式下的In值，應按照不小于5 kA取值，SPD的電壓保護水平值應不大于2.5 kV。

4.2 Up的選擇

（1）根據GB50057—2010 《建筑物防雷設計規范》6.4.6條，SPD的有效電壓保護水平， 應符合下列規定：

限壓型SPD：

Up/f=Up+ΔU （1）

開關型SPD，應取下列公式中的較大者：

Up/f=Up或Up/f=ΔU （2）

式中：Up/f為SPD的有效電壓保護水平（kV）；ΔU為SPD兩端引線的感應電壓，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水平值的SPD，從而可以取得較小的SPD有效電壓保護水平。

（2）配電設備耐沖擊過電壓類別、額定值及電源SPD裝設位置詳見表1。

電源線路浪涌保護器在各個位置安裝時，浪涌保護器的連接導線應短直，其總長度不宜大于0.5m。有效保護水平Up/f應小于設備耐受沖擊電壓額定值Uw。

4.3 Iimp 、In值的選擇

由表3中數據可得，TN系統中Uc不應小于1.15U0 （253V）。

4.5 信號綜合樓SPD設置方案

通過以上研究分析，信號樓內SPD安裝位置及型號為：

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

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

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

（4）在通信、信號等電子系統的引入端弱電箱內裝設的浪涌保護器由系統供應商負責提供。

結論

信號綜合樓作為鐵路正常運行的重要保障，預防雷擊危害極其重要。本文根據國家及鐵路相關規程、規范，并結合鐵路行業的特點，對信號樓低壓配電系統中SPD的使用進行了分析和總結，對實際工程的防雷設計有一定的指導作用。

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