牵引供电系统二次设备防雷保护研究

温建民

0 引言

中国是个雷害发生较多的国家，雷害发生的情况全国各地不一样，各地的年雷电日也不相同，如南部亚热带地区就是雷电活动比较频繁的多雷区，尤其是多山区的地方，雷害的发生就更为突出。近十年来，随着牵引变电所保护、远动、通讯等微机保护系统的升级，牵引变电所内使用了大量的半导体、大规模集成电路等微电子元件，这些微电子元件的耐过电压、过电流水平比原来的晶体管电路脆弱了许多，晶体管设备的工频耐压水平可达到500～1 000 V，而大规模集成电路的工作电压只有几伏，工作电流只有几毫安，工频耐压水平不到100 V。因此在牵引变电所的保护、远动、通讯等弱电设备大量采用微机保护系统的同时，必须相应的研究这些二次设备的防过电压措施。

1 牵引变电所二次设备防雷保护

通常将低压系统中的瞬态电冲击，包括电压冲击，电流冲击和功率冲击，称为电涌（Surge），这里所谓瞬态是指持续时间大大低于工频周期（0.02 s）的瞬变过程。雷电电涌都是由直接、邻近或远处雷击造成的。目前变电所在设计中就已经采用布置避雷针和架设避雷网的方式有效防止所内设备遭受直接雷击，因此直接雷击是指雷击避雷针或避雷网。邻近雷击是指雷击在与二次系统直接相连的延伸系统或管线（如管道、数据传输线）上。远处雷击则主要指雷击架空线，包括绕击、反击和感应在传输线上产生的雷电过电压行波。

雷电或大容量电气设备的操作在供电系统内外部产生浪涌，其对低压供电系统和用电设备的影响已成为人们关注的焦点。低压供电系统的外部浪涌主要来自雷击放电，由一次或若干次单独的闪电组成，每次闪电都携带若干幅值很高、持续时间很短的电流。一个典型的雷电放电将包括二次放电或三次放电的时间。大多数闪电电流每次闪电之间大约相隔1/20 s 的时间。大多数闪电电流在10～100 kA 的范围之内降落，其持续时间一般小于100 μs。

低压供电系统的内部浪涌主要来自供电系统中大容量设备、变频设备和非线性用电设备的使用，给供电系统带来日益严重的内部浪涌问题。供电系统的内外部浪涌对一些敏感的电子设备，即便是很窄的过电压冲击也会造成设备的电源部分或全部电子设备损坏。

1.1 所用变压器的防雷保护

所用变压器是交流供电系统的重要设备，对所用变压器需采取防雷保护措施，一方面可以防止变压器自身受到雷电过电压的损坏，提高向建筑物内电子设备供电的可靠性；另一方面也可以防止雷电过电压波通过变压器传播到建筑物内的电源系统，保护电子设备。所用变压器的接线保护见图1。

图1 所用变压器的接线保护图

由图1 可见，在变压器的高、低压侧均装设3个避雷器。低压侧装3 个低压氧化锌避雷器，是为了限制低压侧出现的暂态过电压和有效抑制正、反变换过程在高压侧产生的暂态过电压，避雷器的接地应就近接在变压器的金属外壳上。

1.2 交直流电源系统防雷保护

对于低压供电系统，浪涌引起的瞬态过电压保护，应采用分级保护的方式完成。从供电系统的入口（如交直流屏）开始逐步进行浪涌能量的吸收，对瞬态过电压分3 级进行防护，如图2 所示。

图2 组合式电源避雷器电路图

（1）第一级保护。所用变压器低压侧安装的电源SPD 作为第一级保护时应为三相电压开关型电源SPD，其雷电通流量不应低于60 kA，应是连接在用户供电系统入口进线各相和大地之间的大容量电源SPD。第一级电源SPD 可防范10/350 μs的雷电波，达到IEC 规定的最高防护标准。

（2）第二级保护。交流屏输出电源SPD 作为第二级保护时应为限压型电源SPD，其雷电通流量不应低于20 kA；应该是安装在向重要或敏感用电设备供电的分路配电设备处的电源SPD。第二级电源SPD 采用C 类保护器进行相-中、相-地、中-地的全模式保护。

（3）第三级保护。在电子信息设备交流电源进线端安装电源SPD 作为第三级保护时应为串接式限压型电源 SPD，其雷电通流量不应低于10 kA。

最后防线可在用电设备内部电源部分使用一个内置式的电源SPD，以达到完全消除微小的瞬态过电压的目的。该处使用的电源SPD 要求的最大冲击电流为20 kA 或更低一些，要求的限制电压应小于1 000 V。对于一些特别重要或特别敏感的电子设备，具备第三级保护是必要的。同时也可保护用电设备免受系统内部产生的瞬态过电压影响。

1.3 UPS 的雷电防护

UPS 在实际应用中，经常出现不仅不能有效保护电源而且自己也常被雷击坏的现象，因UPS 为其他设备提供不间断、净化电源，安装在重要设备的前端，所以当雷电直击到低压电源线或在电缆上产生感应雷电时，电源导线上的过流、过压经过配电系统，首先冲击UPS，而UPS 的稳压范围一般单相在160～260 V，三相在320～460 V。要防止瞬间10～20 kV 的雷电冲击波的过压幅值是不可能的，这就是UPS 遭雷电击坏的主要原因。

为此在需电源进线总配电箱前安装并联式电源专用高能量避雷器，构成第一级防护（衰减）。在机房配电柜空气开关后，安装适当容量的并联式低压电源避雷器，构成电源系统的第二级防护（限压）。在UPS 电源端安装适当容量的串联式低压电源避雷器，构成第三级防护，以保证UPS 的安全可靠运行。

对于有信号或通信接口的UPS 为防止雷电波从信号或通信线引入，必须在信号或通信线接口处加装相应的信号避雷器。

1.4 弱电设备的信号侧保护

统计表明：约50%雷电浪涌危险来自信息侧。电气、电子设备和信息技术设备包含电源侧和信息侧2 个部分。信息侧及其内部电路较电源侧更为脆弱，故需设电涌保护。信号线电涌保护器与电源电涌保护器基本相同，但其工作电压（电平）较低压电源低得多，不到100 V，或几十伏、几伏甚至在1V 以下；冲击耐受电压相应很低，一般在2～2.5倍工作电压的水平；工作频率（模拟信号）/速率（数字信号）较交流电源高得多，频率甚至达到微波MHz 频段，速率达到1 000 Mb/s。因此，信息侧保护器件要达到很低的电压保护水平；要在一个保护器中将很高的电涌能量削减到很低的水平；要能避免高频下杂散电容的不利影响。

信息线路电涌保护器的配置方案，信息线路由户外进入有外部防雷系统的建筑物时，在进入处应配置具有一定冲击电流通流容量的保护器。

1.5 SPD 的选择与配置

SPD 选择的原则有3 项：

（1）因电涌保护器（SPD）是安装在电源线、信号线路上，所以应考虑SPD 安装位置，SPD 组合形式，SPD 的通流量、负载能力、残压和响应速度等，以便与被保护设备适配。

（2）当选用SPD 组合时，要考虑各级之间能量配合，和SPD 与被保护设备的配合。

（3）常规的多级SPD 通流量是逐级减小的，低压供电系统第一级选用大通流量SPD 安装在LPZ0B与LPZ1 界面处，第二级、第三级选通流量较小的SPD 安装在相应的防雷区界面处。

电源SPD 的系统配置如下：

（1）一级防护，电源进线为埋地引入电缆在电源交流屏处安装浪涌保护器。浪涌保护器标称通流容量波≥60 kA（8/20 μs 波形），其标称导通电压Un≥3Uc（Uc为最大工作电压）、响应时间≤50 ns。

（2）二级防护，在设备前安装浪涌保护器。浪涌保护器标称通流容量≥20 kA（8/20 μs 波形），标称导通电压Un≥3Uc（Uc为最大工作电压）、响应时间≤50 ns。

（3）直流电源防护，在二次（直流）电源的设备前宜安装低压直流电源浪涌保护器。其标称通流容量≥10 kA（8/20 μs 波形），标称导通电压Un≥1.5Uz（Uz为直流工作电压）、响应时间≤50 ns。

2 结论及建议

牵引变电站与接触网是电气化铁道供电系统的“心脏”与“血管”，一旦发生雷害事故，将造成大范围停电，严重威胁运输安全。因此，牵引变电站的雷电过电压防护措施必须可靠。结论及建议如下：

（1）牵引变电所输电线路绝缘水平低，感应及直击雷均容易引起线路跳闸，需采取防雷措施以保护二次设备回路，降低线路跳闸率。

（2）所用变压器的防雷保护在变压器的高低压侧均应装设避雷器。

（3）交直流电源系统、UPS 防雷保护应采用分级保护的方式配置SPD 防护。

（4）信息线路、户外低压回路进入有外部防雷系统建筑物时，在进入处应配置防雷保护器。

（5）在照明及动力线路各加装一组II 级电源防雷保护器，同时在不自带III 级防雷保护器的设备前端，加装III 级防雷保护器。

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