铁路信号SPD的选择与安装的思考

孙鑫

摘要： 铁路信号系统智能化、集成化和数字化是迈向高速时代的中国铁路发展方向。对于信号设备的防雷和浪涌保护越来越至关重要。按照现代防雷要求，科学合理选择和安装SPD可以降低在雷电条件下设备发生故障的概率，提高设备运行的可靠性与安全性。

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.

关键词： SPD；雷害；安全

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

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）03-0184-02

0 引言

由于现代通信信号设备集成化程度高和电力电子技术的广泛应用，雷害产生的电磁脉冲对设备的损害就更容易发生。对铁路信号系统采用综合防雷手段，可能将雷电降低到最低的限度，减少信号系统遭受雷电损害的风险。而在综合防雷系统中，科学合理的选择和安装SPD（浪涌保护装置）就至关重要。等电位防护是综合防雷系统的核心，SPD与接地系统的合理连接是实现等电位防护的关键。

1 SPD的概念

根据国家标准GB 4365-1995《电磁兼容术语规定》，SPD（Surge Protective Device）的汉语译名为“浪涌（冲击）防护装置”。ICE将SPD定义为“用做限制瞬态过电压和泄放浪涌（冲击）电流的装置。它至少应该包含一个非线性的元件”。ITU将SPD定义为“用来减少具有有持续时间的浪涌过电压和过电流的一种装置，它可能只含有一个器件或者有较为复杂的设计，集合几种功能。它至少包含一个非线性的器件。”由此可见，SPD的含义是用来降低持续时间有限的浪涌（冲击）过电压和过电流的装置，它可以由单个非线性元件加工成，可以由多个非线性元件组合而成，也可以是非线性元件和线性元件多功能集合而成。

用于电气电子设备的SPD为低压SPD。计算机设备和通信信号设备的低压电源和通信数据传输线的浪涌保护器都属于这一个范畴。在计算机设备和通信信号设备的电源线、通信线和数据线的接口处安装浪涌保护器，使电源线、通信线和数据线与地线间在发生雷害时与接地系统连接实现等电位防护。

在不同的线路中SPD的作用均不同，用来限制由电源线侵入电源屏的雷过压和过流的SPD称之为电源SPD；用来限制由数据传输、通信信号线路侵入信息交换传输设备的雷过压和雷过流的SPD称之为通道SPD；和被防护电路并联的SPD叫做并联型SPD（并联型SPD有分离的输入和输出端子，但在输入输出端子见没有串联阻抗）：有输入和输出两组端子的SPD叫作串联型SPD（在输入和输出端子间串联有规定阻抗）。

2 SPD的作用

装设SPD的目的是在雷电电磁脉冲与需要防护的设备之间提供适当的瞬态过电压防护。因为雷电可以在电源线和数据线或者通信线上感应出过电压。出现过电压的类型为两种。一种作为电压差出现在两条线之间，称之为差模电压。另一种作为电压差出现在每一条线和地线之间，称之为共模电压。对于电缆来说，因为每条线暴露在过雷电电磁脉冲的条件相同的情况下，因此只会产生共模电压。但若安装在每一条对称的线路和地线间的防雷保安器响应时间存在差异，则会出现差模电压。

计算机设备上的雷过压可能出现的位置：①雷过压发生在通信或者数据线之间和线路对地线之间；②感应雷过压发生在电源线与地线之间、电源线与中性线之间和中性线与地线之间；③感应雷过电压同时发生在通信线或数据线及电源线上；④感应雷过压发生在保护接地上。

综上所述，发生雷害时每一条线和地线之间产生雷过压的是共模电压，应进行共模防护（纵向防护）。线路间的产生的雷过压是差模电压，应进行差模防护（横向防护）。对于信号室内设备应当对电源线和通信信号线路及数据传输线路都应加上共模防护和差模防护。

3 SPD的基本要求

浪涌保护装置在平时没有雷电灾害干扰时必须对接入的电路无影响。因此无雷电灾害干扰时必须满足以下要求：

3.1 传输安全

①对雷电的箝位必须准确，不得箝位工作信号电平、电源电压；

②插入损耗必须小、不得降低信号传输速率；

③不得使输入输出信号发生畸变；

④不得降低设备绝缘；

⑤SPD的漏泄电流必须小；

⑥必须和被防护的设备的特性阻抗匹配。

在对于电源线防雷，要求做到“安全第一，防护第二”这是针对电源SPD工作在较大电压和电流下，SPD自身的安全比防雷重要。对于通信信号线路和数据线防雷，要求做到“传输第一，防护第二”，传输通信信号和数据交换在线路中实时都在进行，通道SPD接入后不应导致传输时断时续。

3.2 防护要求 SPD是保护计算机设备、通信信号设备、电子设备的安全产品，防雷时应该做到电磁兼容作用。雷电发生时，SPD必须做到：

①SPD应做到动作迅速，在雷电入侵时立即动作，将电压一直在能保证设备安全运转的参数之下；

②SPD的功率可以经受住大部分雷击而不会被损坏，并应能承受多次雷击而不会劣化；

③雷害作用完成后，SPD必须立即恢复常态，影响系统正常工作时间必须小到微秒计。

4 SPD的选择

选择SPD，要根据经常承受的浪涌过电压的强度而定，同时也要兼顾安装的位置。从防雷功能上讲，对SPD的主要要求只有上述两个当面，即传输要求与防护要求。

4.1 电源SPD的选择

①选择最大工作电压大于实际工作电压加上电源波动正差值得SPD；

②选择各级SPD的通流容量大于该处期望的雷电电流值SPD；

③应该采用多级防护，各级质监必须尽可能协调配合。

表1是描述电源设备最大雷电冲击表，实际选择都应该大于表中的的参数。SPD是按照所防护场地雷电磁脉冲环境最不利的条件设计的。其出现最不利的情况如表1所示，表中的参数是由线路传到来的感应雷电，并非直击。其中A区指的是远离配电柜的用户电源插座和计算机；B区靠近配电柜的电源子系统；C区计算机机房配电非暴露环境。

4.2 信号设备的SPD选择 铁路信号设备SPD是用于限制由信号传输线（除了道岔转化装置控制设备外）侵入铁路信号设备的雷电瞬时过电压及过电流的浪涌保护器。有些信号设备使用的通道SPD和电源SPD 相似，但是铁路信号电缆上的期望的雷电流值确实较小，与通道SPD在一个数量级上，所以会误认为选用了电源SPD。铁路SPD的选择与电源SPD的选择相同，一般情况下，信号设备选用的SPD安装位置的雷电流期望值不会大于5kA。

4.3 通信与数据线SPD的选择 根据“路”与“场”的防护原则，选择安装在线路进入机械室的端口和设备与线路之间的连接的端口的SPD。对于通信与数据线路中的通道SPD，上文提到过了，防雷本身的差损、误码率和反射衰耗等传输参数十分钟要，因此选择通道SPD是一定要注意不能因为接入而使传输受损。表2就是通信和数据线路的最大雷电冲击表，实际选择都应该大于表中的的参数。其中C区计算机机房接线端子非暴露环境。

5 SPD的安装

5.1 建议SPD的安装位置 IEC623054系列标准建议电源SPD安装位置：①在建筑物得入口处安装第一级防护，一般在住配电柜上；②配线盘上；③靠近被保护电源设备的插孔处。

IEC623054系列标准建议通信和数据线SPD安装位置：①通信和信号网络线路进入建筑物处安装第一级SPD；②在设备的入口处安装SPD。

多级防护的可以使电流逐级排放，使雷电压逐级箝位，达到限制雷电流和雷电压的目的。第一个位置的防护—户外交流电源馈线引入（引出）处的SPD的任务就是将外线传到的幅值较的雷电流泄放入地，减轻下级负担。最后一级SPD的残压必须必被保护设备的耐压能力低。

5.2 SPD的连接 由于连接线路地压降会使防护的效果变坏。并联SPD（凯文接法）与被保护线路，使线路进入SPD接线端子后再离开，每一个端子有一进一出的两条线，线路与端子的距离为零。这样可以使并联接线最短减少接线的附加电压，如图1所示。其次，还应该注意不能使SPD的输入输出线考的太紧，瞬态过电压是沿着从源点到侵害点的线路以耦合的方式来传到的。

6 总结

按照规范合理设置浪涌保护器（SPD）不仅可以均衡机械室内的电源线路、通信信号线和数据传输线路与地线之间的电位，而且在正常工作时不会箝位正常工作电压或影响数据传输的正常进行。线路间的电位差变成浪涌保护器的限制电压从等电位防护角度来说，设置浪涌保护器（SPD）与接地系统是等电位防护的重要一环。

参考文献：

[1]GB 21714.3-2008 雷电防护国家标准.

[2]GB-50057-2010，建筑物防雷设计规范.

[3]GB50174-2008，电子信息系统机房设计规范.

[4]IEC62305-4 建筑物内电气与电子设备雷电防护.

[5]IEC61643 低压配电系统的电涌保护器（SPD）.

[6]邱传睿.低压系统雷电防护标准体系初探{J}China Standardization，2006/05.

[7]李永毅，傅茂金，邱传睿.铁路信号设备的雷电综合防护体系[J].铁道通信信号，2005（09）.