溫建民

0 引言

中國是個(gè)雷害發(fā)生較多的國家，雷害發(fā)生的情況全國各地不一樣，各地的年雷電日也不相同，如南部亞熱帶地區(qū)就是雷電活動(dòng)比較頻繁的多雷區(qū)，尤其是多山區(qū)的地方，雷害的發(fā)生就更為突出。近十年來，隨著牽引變電所保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)、通訊等微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的升級(jí)，牽引變電所內(nèi)使用了大量的半導(dǎo)體、大規(guī)模集成電路等微電子元件，這些微電子元件的耐過電壓、過電流水平比原來的晶體管電路脆弱了許多，晶體管設(shè)備的工頻耐壓水平可達(dá)到500～1 000 V，而大規(guī)模集成電路的工作電壓只有幾伏，工作電流只有幾毫安，工頻耐壓水平不到100 V。因此在牽引變電所的保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)、通訊等弱電設(shè)備大量采用微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的同時(shí)，必須相應(yīng)的研究這些二次設(shè)備的防過電壓措施。

1 牽引變電所二次設(shè)備防雷保護(hù)

通常將低壓系統(tǒng)中的瞬態(tài)電沖擊，包括電壓沖擊，電流沖擊和功率沖擊，稱為電涌（Surge），這里所謂瞬態(tài)是指持續(xù)時(shí)間大大低于工頻周期（0.02 s）的瞬變過程。雷電電涌都是由直接、鄰近或遠(yuǎn)處雷擊造成的。目前變電所在設(shè)計(jì)中就已經(jīng)采用布置避雷針和架設(shè)避雷網(wǎng)的方式有效防止所內(nèi)設(shè)備遭受直接雷擊，因此直接雷擊是指雷擊避雷針或避雷網(wǎng)。鄰近雷擊是指雷擊在與二次系統(tǒng)直接相連的延伸系統(tǒng)或管線（如管道、數(shù)據(jù)傳輸線）上。遠(yuǎn)處雷擊則主要指雷擊架空線，包括繞擊、反擊和感應(yīng)在傳輸線上產(chǎn)生的雷電過電壓行波。

雷電或大容量電氣設(shè)備的操作在供電系統(tǒng)內(nèi)外部產(chǎn)生浪涌，其對(duì)低壓供電系統(tǒng)和用電設(shè)備的影響已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。低壓供電系統(tǒng)的外部浪涌主要來自雷擊放電，由一次或若干次單獨(dú)的閃電組成，每次閃電都攜帶若干幅值很高、持續(xù)時(shí)間很短的電流。一個(gè)典型的雷電放電將包括二次放電或三次放電的時(shí)間。大多數(shù)閃電電流每次閃電之間大約相隔1/20 s 的時(shí)間。大多數(shù)閃電電流在10～100 kA 的范圍之內(nèi)降落，其持續(xù)時(shí)間一般小于100 μs。

低壓供電系統(tǒng)的內(nèi)部浪涌主要來自供電系統(tǒng)中大容量設(shè)備、變頻設(shè)備和非線性用電設(shè)備的使用，給供電系統(tǒng)帶來日益嚴(yán)重的內(nèi)部浪涌問題。供電系統(tǒng)的內(nèi)外部浪涌對(duì)一些敏感的電子設(shè)備，即便是很窄的過電壓沖擊也會(huì)造成設(shè)備的電源部分或全部電子設(shè)備損壞。

1.1 所用變壓器的防雷保護(hù)

所用變壓器是交流供電系統(tǒng)的重要設(shè)備，對(duì)所用變壓器需采取防雷保護(hù)措施，一方面可以防止變壓器自身受到雷電過電壓的損壞，提高向建筑物內(nèi)電子設(shè)備供電的可靠性；另一方面也可以防止雷電過電壓波通過變壓器傳播到建筑物內(nèi)的電源系統(tǒng)，保護(hù)電子設(shè)備。所用變壓器的接線保護(hù)見圖1。

圖1 所用變壓器的接線保護(hù)圖

由圖1 可見，在變壓器的高、低壓側(cè)均裝設(shè)3個(gè)避雷器。低壓側(cè)裝3 個(gè)低壓氧化鋅避雷器，是為了限制低壓側(cè)出現(xiàn)的暫態(tài)過電壓和有效抑制正、反變換過程在高壓側(cè)產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓，避雷器的接地應(yīng)就近接在變壓器的金屬外殼上。

1.2 交直流電源系統(tǒng)防雷保護(hù)

對(duì)于低壓供電系統(tǒng)，浪涌引起的瞬態(tài)過電壓保護(hù)，應(yīng)采用分級(jí)保護(hù)的方式完成。從供電系統(tǒng)的入口（如交直流屏）開始逐步進(jìn)行浪涌能量的吸收，對(duì)瞬態(tài)過電壓分3 級(jí)進(jìn)行防護(hù)，如圖2 所示。

圖2 組合式電源避雷器電路圖

（1）第一級(jí)保護(hù)。所用變壓器低壓側(cè)安裝的電源SPD 作為第一級(jí)保護(hù)時(shí)應(yīng)為三相電壓開關(guān)型電源SPD，其雷電通流量不應(yīng)低于60 kA，應(yīng)是連接在用戶供電系統(tǒng)入口進(jìn)線各相和大地之間的大容量電源SPD。第一級(jí)電源SPD 可防范10/350 μs的雷電波，達(dá)到IEC 規(guī)定的最高防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）第二級(jí)保護(hù)。交流屏輸出電源SPD 作為第二級(jí)保護(hù)時(shí)應(yīng)為限壓型電源SPD，其雷電通流量不應(yīng)低于20 kA；應(yīng)該是安裝在向重要或敏感用電設(shè)備供電的分路配電設(shè)備處的電源SPD。第二級(jí)電源SPD 采用C 類保護(hù)器進(jìn)行相-中、相-地、中-地的全模式保護(hù)。

（3）第三級(jí)保護(hù)。在電子信息設(shè)備交流電源進(jìn)線端安裝電源SPD 作為第三級(jí)保護(hù)時(shí)應(yīng)為串接式限壓型電源 SPD，其雷電通流量不應(yīng)低于10 kA。

最后防線可在用電設(shè)備內(nèi)部電源部分使用一個(gè)內(nèi)置式的電源SPD，以達(dá)到完全消除微小的瞬態(tài)過電壓的目的。該處使用的電源SPD 要求的最大沖擊電流為20 kA 或更低一些，要求的限制電壓應(yīng)小于1 000 V。對(duì)于一些特別重要或特別敏感的電子設(shè)備，具備第三級(jí)保護(hù)是必要的。同時(shí)也可保護(hù)用電設(shè)備免受系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓影響。

1.3 UPS 的雷電防護(hù)

UPS 在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常出現(xiàn)不僅不能有效保護(hù)電源而且自己也常被雷擊壞的現(xiàn)象，因UPS 為其他設(shè)備提供不間斷、凈化電源，安裝在重要設(shè)備的前端，所以當(dāng)雷電直擊到低壓電源線或在電纜上產(chǎn)生感應(yīng)雷電時(shí)，電源導(dǎo)線上的過流、過壓經(jīng)過配電系統(tǒng)，首先沖擊UPS，而UPS 的穩(wěn)壓范圍一般單相在160～260 V，三相在320～460 V。要防止瞬間10～20 kV 的雷電沖擊波的過壓幅值是不可能的，這就是UPS 遭雷電擊壞的主要原因。

為此在需電源進(jìn)線總配電箱前安裝并聯(lián)式電源專用高能量避雷器，構(gòu)成第一級(jí)防護(hù)（衰減）。在機(jī)房配電柜空氣開關(guān)后，安裝適當(dāng)容量的并聯(lián)式低壓電源避雷器，構(gòu)成電源系統(tǒng)的第二級(jí)防護(hù)（限壓）。在UPS 電源端安裝適當(dāng)容量的串聯(lián)式低壓電源避雷器，構(gòu)成第三級(jí)防護(hù)，以保證UPS 的安全可靠運(yùn)行。

對(duì)于有信號(hào)或通信接口的UPS 為防止雷電波從信號(hào)或通信線引入，必須在信號(hào)或通信線接口處加裝相應(yīng)的信號(hào)避雷器。

1.4 弱電設(shè)備的信號(hào)側(cè)保護(hù)

統(tǒng)計(jì)表明：約50%雷電浪涌危險(xiǎn)來自信息側(cè)。電氣、電子設(shè)備和信息技術(shù)設(shè)備包含電源側(cè)和信息側(cè)2 個(gè)部分。信息側(cè)及其內(nèi)部電路較電源側(cè)更為脆弱，故需設(shè)電涌保護(hù)。信號(hào)線電涌保護(hù)器與電源電涌保護(hù)器基本相同，但其工作電壓（電平）較低壓電源低得多，不到100 V，或幾十伏、幾伏甚至在1V 以下；沖擊耐受電壓相應(yīng)很低，一般在2～2.5倍工作電壓的水平；工作頻率（模擬信號(hào)）/速率（數(shù)字信號(hào)）較交流電源高得多，頻率甚至達(dá)到微波MHz 頻段，速率達(dá)到1 000 Mb/s。因此，信息側(cè)保護(hù)器件要達(dá)到很低的電壓保護(hù)水平；要在一個(gè)保護(hù)器中將很高的電涌能量削減到很低的水平；要能避免高頻下雜散電容的不利影響。

信息線路電涌保護(hù)器的配置方案，信息線路由戶外進(jìn)入有外部防雷系統(tǒng)的建筑物時(shí)，在進(jìn)入處應(yīng)配置具有一定沖擊電流通流容量的保護(hù)器。

1.5 SPD 的選擇與配置

SPD 選擇的原則有3 項(xiàng)：

（1）因電涌保護(hù)器（SPD）是安裝在電源線、信號(hào)線路上，所以應(yīng)考慮SPD 安裝位置，SPD 組合形式，SPD 的通流量、負(fù)載能力、殘壓和響應(yīng)速度等，以便與被保護(hù)設(shè)備適配。

（2）當(dāng)選用SPD 組合時(shí)，要考慮各級(jí)之間能量配合，和SPD 與被保護(hù)設(shè)備的配合。

（3）常規(guī)的多級(jí)SPD 通流量是逐級(jí)減小的，低壓供電系統(tǒng)第一級(jí)選用大通流量SPD 安裝在LPZ0B與LPZ1 界面處，第二級(jí)、第三級(jí)選通流量較小的SPD 安裝在相應(yīng)的防雷區(qū)界面處。

電源SPD 的系統(tǒng)配置如下：

（1）一級(jí)防護(hù)，電源進(jìn)線為埋地引入電纜在電源交流屏處安裝浪涌保護(hù)器。浪涌保護(hù)器標(biāo)稱通流容量波≥60 kA（8/20 μs 波形），其標(biāo)稱導(dǎo)通電壓Un≥3Uc（Uc為最大工作電壓）、響應(yīng)時(shí)間≤50 ns。

（2）二級(jí)防護(hù)，在設(shè)備前安裝浪涌保護(hù)器。浪涌保護(hù)器標(biāo)稱通流容量≥20 kA（8/20 μs 波形），標(biāo)稱導(dǎo)通電壓Un≥3Uc（Uc為最大工作電壓）、響應(yīng)時(shí)間≤50 ns。

（3）直流電源防護(hù)，在二次（直流）電源的設(shè)備前宜安裝低壓直流電源浪涌保護(hù)器。其標(biāo)稱通流容量≥10 kA（8/20 μs 波形），標(biāo)稱導(dǎo)通電壓Un≥1.5Uz（Uz為直流工作電壓）、響應(yīng)時(shí)間≤50 ns。

2 結(jié)論及建議

牽引變電站與接觸網(wǎng)是電氣化鐵道供電系統(tǒng)的“心臟”與“血管”，一旦發(fā)生雷害事故，將造成大范圍停電，嚴(yán)重威脅運(yùn)輸安全。因此，牽引變電站的雷電過電壓防護(hù)措施必須可靠。結(jié)論及建議如下：

（1）牽引變電所輸電線路絕緣水平低，感應(yīng)及直擊雷均容易引起線路跳閘，需采取防雷措施以保護(hù)二次設(shè)備回路，降低線路跳閘率。

（2）所用變壓器的防雷保護(hù)在變壓器的高低壓側(cè)均應(yīng)裝設(shè)避雷器。

（3）交直流電源系統(tǒng)、UPS 防雷保護(hù)應(yīng)采用分級(jí)保護(hù)的方式配置SPD 防護(hù)。

（4）信息線路、戶外低壓回路進(jìn)入有外部防雷系統(tǒng)建筑物時(shí)，在進(jìn)入處應(yīng)配置防雷保護(hù)器。

（5）在照明及動(dòng)力線路各加裝一組II 級(jí)電源防雷保護(hù)器，同時(shí)在不自帶III 級(jí)防雷保護(hù)器的設(shè)備前端，加裝III 級(jí)防雷保護(hù)器。

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