信号楼低压配电系统SPD应用研究

韩成 马峰超

摘 要：信号综合楼对铁路正常运行至关重要，而感应雷则会对其内部的低压供电系统产生严重影响，需设计有效的SPD设置方案，对信号楼进行雷击电磁脉冲防护。本文结合相关国家及铁路行业相关规范，通过对SPD的工作原理、设备特点、主要参数等进行研究分析，总结出合理可行的信号楼低压配电系统SPD安装位置及使用型号。

关键词：信号楼；防雷；浪涌保护器

中图分类号：TU895 文献标志码：A

铁路信号综合楼内与行车相关的重要设备较多，通信信号等设备的供电安全和正常运转直接关系到铁路的运营安全。在实际工况中，雷击电磁脉冲往往是以导线传播和辐射传播同时发生的方式，引起对低压供电系统和弱电系统的危害。进入建筑物内部防雷区的线路防雷击电磁脉冲主要通过设置浪涌保护器（SPD）加以控制，通常设置在各防雷保护区的交界面处。

1 浪涌保护器工作原理

浪涌保护器（SPD）是一种用于限制瞬时过电压和泄放电涌电流的电器，它至少包括一个非线性的元件，利用放电间隙、气体放电管或压敏电阻的相关特征，通过把瞬时的过电流导入大地对过电压进行限制，系统端的电压与限制器上的电压相等，并同限制器导通后的残余电压相等。浪涌保护器工作原理如图1所示。

2 浪涌保护器分类

浪涌保护器（SPD）分为电压开关型和限压型两种。

2.1电压开关型SPD

（1）当没有过电压（无电流流过）时，它具有高阻抗特性。当有过电压时，阻抗在100ns内迅速降到0.1Ω～1Ω。

（2）电压保护水平Up：当释放冲击电流到地面时，由接线端子之间的电涌保护器给定的电压。它直接由变阻器和火花间隙产生，不可超过连接在下级设备的耐受电压值。

（3）冲击电流Iimp：测试该器件一般采用10/350μs的模拟雷电。

（4） 通常将其安装于相关建筑物的LPZ0与LPZl交界位置，以便尽可能多地消除电网后续电流，从而对10/350μs的雷电冲击电流进行疏解。

电压开关型浪涌保护器工作原理如图2所示。

2.2 限压型SPD

（1）在没有浪涌情况下处在高阻状态，在浪涌电流和浪涌电压增大时，它的阻抗会持续减小。

（2）残压比较低，一般采用8/20μs的模拟雷电来测试该器件。

（3）通常安装于雷电保护区建筑物内，常用于II级或II级以下的操作过电压保护及雷电过电压保护。用于对8/20μs雷电冲击电流进行疏导，存在逐级限制雷电过电压的重要保护作用。

其工作原理如图3所示。

3 浪涌保护器主要参数

（1）Uc—最大持续运行电压，即直流电压或交流电压有效值，亦即不断加于浪涌保护器后特性发生变化或不被激活的电压峰值。

（2）In—标称放电电流，可耐受波形为8/20μs电流波的最高值，并耐受多次（按要求规定）而不会受到损坏，这个指标主要反映了浪涌保护器分级上。

（3）Imax—最大放电电流，即通过电流的能力，可耐受波形为8/20μs的浪涌最大值一次，也可以说是破坏性试验，最大放电电流是标称放电电流的两倍。

（4）Iimp—冲击放电电流，可耐受波形为 10/350μs的最大电流值试验，可体现耐受直击雷水平，自到达峰值开始，波形为10/350μs的电流波较波形为8/20μs的电流波含有的能量大很多，冲击放电电流为Ⅰ级分类试验项目，但最大放电电流属于Ⅱ级分类试验项目。

（5）Up—电压保护器能力，属于体现浪涌保护器限制接线端子间电压性能的重要参数，可以将端子间电压限制在小于其值的范围内。

4 浪涌保护器的选型及安装位置

4.1 低压线路总配电箱的SPD选型

根据有关防雷设计规范及铁路行业标准，有如下规定：

（1）应在低压电源线路进线处的总配电箱、配电柜处装设通过Ⅰ级分类试验验证的SPD，它的电压保护水平值应不大于2.5 kV。

（2）每一个保护模式下的雷电冲击电流值，若无法确定，应按照不小于12.5 kA取值。

（3）如果有低压线路从设置变电所的建筑物内引出，并敷设至其他设有独立接地装置的设备时，应在变电所的低压母线上装设通过Ⅰ级分类试验验证的SPD，SPD每一个保护模式的冲击电流值，若无法确定，应按照不小于12.5 kA取值。

（4）如果没有低压线路从设置变电所的建筑物内引出，应在母线上装设通过Ⅱ级分类试验的SPD，其每一保护模式下的In值，应按照不小于5 kA取值，SPD的电压保护水平值应不大于2.5 kV。

4.2 Up的选择

（1）根据GB50057—2010 《建筑物防雷设计规范》6.4.6条，SPD的有效电压保护水平， 应符合下列规定：

限压型SPD：

Up/f=Up+ΔU （1）

开关型SPD，应取下列公式中的较大者：

Up/f=Up或Up/f=ΔU （2）

式中：Up/f為SPD的有效电压保护水平（kV）；ΔU为SPD两端引线的感应电压，户外线路引入建筑物按照1kV/m，其后的按照ΔU=0.2Up。

可选用有较小电压保护水平值的SPD，从而可以取得较小的SPD有效电压保护水平。

（2）配电设备耐冲击过电压类别、额定值及电源SPD装设位置详见表1。

电源线路浪涌保护器在各个位置安装时，浪涌保护器的连接导线应短直，其总长度不宜大于0.5m。有效保护水平Up/f应小于设备耐受冲击电压额定值Uw。

4.3 Iimp 、In值的选择

由表3中数据可得，TN系统中Uc不应小于1.15U0 （253V）。

4.5 信号综合楼SPD设置方案

通过以上研究分析，信号楼内SPD安装位置及型号为：

（1）在总照明配电箱处可以安装Iimp≥12.5kA（10/350μs波形）的开关型SPD；也可以安装In≥50kA（8/20μs波形）的限压型浪涌保护器作为一级防护，有效电压保护水平小于或等于2.5kV，最大持续运行电压大于或等于253V。

（2）在楼层分配电箱安装标称放电电流In≥10kA（8/20μs波形）的限压型SPD作为二级防护，有效电压保护水平不大于2.5kV，最大持续运行电压不小于253V。

（3）在通信、信号配电箱处安装标称放电电流In≥5kA（8/20μs波形）的限压型SPD，有效电压保护水平不大于2.5kV。

（4）在通信、信号等电子系统的引入端弱电箱内装设的浪涌保护器由系统供应商负责提供。

结论

信号综合楼作为铁路正常运行的重要保障，预防雷击危害极其重要。本文根据国家及铁路相关规程、规范，并结合铁路行业的特点，对信号楼低压配电系统中SPD的使用进行了分析和总结，对实际工程的防雷设计有一定的指导作用。

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