铁路信号电源设备雷电防护中相关问题的研究

２００６年８月　铁道通信信号　Ａｕｇｕｓｔ．２００６　第４２卷第８期　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＩＧＮＡＬＬＩＮＧ＆ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ　Ｖｏ１．４２　Ｎｏ．８　铁路信号电源设备雷电防护中相关问题的研究　付茂金　邱传睿一　摘要：铁路信号设备需要适合于铁路特定要求的专用防雷保安器。铁路电源设备专用防雷保安器　应当无劣化现象，在雷击损坏时为开路模式，必须为可插拔结构和有较低的残压。因此不能采用　可导致续流、短路的空气间隙、气体放电管等元件，也不宜单独采用易于劣化的压敏电阻器与电　源线并联。在ＴＮ系统中，也不得采用防护效果差的所谓３＋１模式防雷配置。　关键词：防雷保安器，续流，压敏电阻器劣化，３＋１模式　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒａｉｌｗａｙ　ｓｉｇｎａｌｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｒｅｑｕｉｒｅｓ　ｄｅｄｉｃａｔｅｄ　Ｉｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｐｒｏｔｅｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ　ｆｏｒ　ｒａｉｌｗａｙ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｈｏｕｌｄ　ｎｏｔ　ｂｅ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｑｕａｌｉｔｙ，ｉｎ　ｏｐｅｎ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｍｏｄｅ　ｗｈｅｎ　ｄａｍａｇｅｄ　ｂｙ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ，ｏｆ　ｐｌｕｇｇａｂｌｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｗｉｔｈ　ｌｏｗｅｒ　ｒｅｓｉｄｕｅ　ｖｏｌｔａｇｅ．Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ，ｔｈｏｓｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ＴＮ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｈｏｕｌｄ　ｎｏｔ　ａｄｏｐｔ　３＋１　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ，Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ｃｕｒｒｅｎｔ，Ｆａｕｌｔｙ　ＭＯＶ，３＋ｌ　ｍｏｄｅ　铁道行业标准ＴＢ／Ｔ３０７４《铁路信号设备雷电　位的熔丝熔断或使空气开关跳断。　电磁脉冲防护技术条件》在第７章里提出，铁路信　３．在雷击时有较低的残压。　号设备的雷电防护要实施“综合防雷”。“综合防　因此，ＴＢ／Ｔ３０７４《铁路信号设备雷电电磁脉　雷”中的一个重要环节是“设置防雷保安器”。该　冲防护技术条件》在第８章里规定：“不得采用可　标准明确规定：“所有进入室内的电源线和信号传　导致续流、短路的空气间隙、气体放电管等元件，　输线应当装设铁路信号设备专用防雷保安器”。下　也不宜单独采用易于劣化的压敏电阻器与电源线并　面就铁路信号电源设备的特定使用条件和对电源防　联”，“电源防雷保安器必须是可插拔结构”，“防雷　雷保安器的要求做如下分析。　器的连接线应尽量短”，以及有足够低的残压等。　１　铁路信号设备的特定使用条件　３特殊要求的具体分析　通常，铁路信号电源分２路引入信号楼：一路　３．１不得采用可导致续流、短路的空气间隙、气　自闭电源，电压比较稳定；另一路电网电源，由于　体放电管等元件　线长点多，电源电压波动很大。此外，由于区间车　空气间隙和气体放电管都属于间隙放电器件。　站的面积较小，电源线径路长度有限，按照一般建　若在放电间隙两端施加电压，则随着电压的增加，　筑物要求设置多部位、多级防雷器，空间上有困　电场强度增强到超过间隙两极间气体的击穿强度　难。还有重要的一点，信号楼机械室一般无人２４ｈ　时，就会出现气体放电现象。这时，间隙间的电阻　值守，因此要求所有铁路信号设备防雷器的可靠性　由１Ｏ。Ｑ突然变到接近ＯＱ，好像一个开关，将原来　高于一般建筑物电源防雷器。　关断的电路（电阻无穷大）突然导通（电阻为０）。　２铁路信号电源防雷保安器的要求　图１是间隙和气体放电管的伏一安特性曲线。当间　隙两端电压加到Ｖ　时（即图中的ａｂｃ线段到Ｃ　１．必须无劣化现象，不会出现无雷自毁。　点），间隙开始放电，这时若继续增加间隙两端的　２．在雷击损坏时的故障模式为开路模式，即　施加电压，间隙两端电压并不同步增加而保持在　防雷器被雷击时必须立即脱离电源电路，不得将上　ｃｄ线段；再继续增加施加电压，间隙进入辉光放　电状态（即图１中的ｄｅｆ线段），间隙两端的电压　铁道科学研究院通信信号研究所，１０００８１北京　为　（一般辉光管压降　为７０Ｖ左右）；当外加电　＊助理研究员　＊＊研究员　源的电流足够大时，间隙两端的电压继续降低至　收稿日期：２００６—０２—１１　Ｖ　（弧光管压降　小于ｌＯＶ），间隙进入弧光放电　１——　维普资讯 http://www.cqvip.com

铁道通信信号２００６年第４２卷第８期　状态。选择电源防雷器用放电管时，都遵循放电管　标称直流放电电压为交流工作电压的２．２倍，因　此，在雷电压未侵人电源线路时，放电管不工作。　一旦雷电过电压侵人电源线，并且超过放电管的冲　击放电电压，则放电管被击穿。这时，电源可以提　供足够的电流使放电管一直维持不可逆转的低电压　状态Ｖ　，使得雷电作用完毕后，放电管继续工　作，使电源线短路，这就是续流。续流影响放电管　电极间绝缘的恢复，产生过热负荷，缩短放电管使　用寿命，最终导致放电管损坏，令放电管前端的熔　丝熔断或空气开关跳断，中断电源供应。因此，绝　对不允许在电源线两端并联间隙类型的器件。　出　辎　图１　间隙和气体放电管伏一安特性曲线　一般在放电管的分路接人非线性电阻器以防止　续流，最常见的是将放电管与氧化锌压敏电阻器串　联后接人电路，如图２所示。　Ｌ　Ｌ　１　Ｊ　一　－　Ｎ　ＰＥ　图２　电阻器电路及　ｊ曲线图　３．２不宜单独采用易于劣化的压敏电阻器与电源　线并联　目前普遍使用的氧化锌压敏电阻器是一种双向　限幅的非线性固体器件，它的伏一安特性好似对顶　的２个二极管限幅器，如图２中的曲线１，它的电　流一电压关系是非线性的。当加在两端的电压低于　压敏电压时，它的电阻值极大，为兆欧级（ｉ０　Ｑ）；　而当电压超过压敏电压后，电阻值随电压的增高急　速下降，可小到欧姆级甚至毫欧姆级。由曲线１可　见，电压的增高使漏电流大大增加。由于压敏电阻　器是负温度系数器件，即压敏电阻器温度越高，电　阻越小，漏电流就越大，使压敏电阻在电压波动时　０——　更易于劣化。　图２正是解决放电管续流和压敏电阻劣化的好　方法。图２电路并联接人电源后，电压主要分配在　放电管上，压敏电阻上的电压极低（因为放电管电　阻为１０。Ｑ，而压敏电阻的电阻为ＩＯ　Ｑ），保证了　压敏电阻无漏流。一旦保安器工作，压敏电阻是限　压器件，保安器的残压由压敏电阻的限制电压决　定。这时，放电管的端电压极低（放电管工作时的　电阻几乎为零），防止了续流。　３．３不允许采用所谓３＋１的防护模式　近来，有些厂家没有区分电源的接地方式，在　ＴＮ系统中安装了一些所谓３＋１防护模式的三相　电源防雷箱，造成了混乱。低压供电电源的接地方　式有ＴＮ系统、ＴＴ系统、ＩＴ系统等３种。ＴＮ系　统中有一点直接接地，用电设备的外露可导电部分　通过保护地线接地。它又可以细分为ＴＮ—Ｓ系统　（三相五线制）、ＴＮ—Ｃ系统（三相四线接零制）和　ＴＮ—Ｃ—Ｓ系统（中性线与保护地线在配电变压器处　合一、在用户处分开的另一种三相五线制）。ＴＴ　系统在用户处专设一个保护地线，该地线与配电变　压器无关。一般用在配电变压器与用户间的距离较　长，在我国最典型的实例是山峰顶端的移动通信基　站。ＩＴ系统称为三相三线制，用户处专设回流地　线，一般很少用。铁路信号楼的配电变压器都在楼　附近几十米以内，属于ＴＮ接地系统，因此对于三　相电源防护，是在每条相线对保护地间和中性线对　保护地间安装４个模块（即４＋０模式），见图３。由　于在配电变压器前的高压线路大多是架空线，因　此，还要求对引入信号楼的三相电源线路采用全模　块防护，即在３条相线间安装３个模块，共７个模　块。而所谓３＋１防护模式是在３条相线与中性线　上各安装１个模块，在中性线与保护地间安装１个　空气间隙，见图４。我国国家标准（ＧＢ５００５７—９２、　ＧＢ５０３４３—３００３）及国际标准（ＩＥＣ６１６４３—１２：２００２）等　都仅推荐在防雷模块采用纯压敏电阻时，ＴＴ系统　可用３＋１模式的防护电路。若ＴＮ接地系统配置　Ｉ　ｌ　ｒ一。一一一一一　厂一一一一一一一一一一一一一。一一　Ｌ１　片ｊ尸升天　甩源两舀稽　信　电源外线　Ｌ　２　号　Ｌ　３　１　一　用　　ＩＮ　　ｌｆ　一　电　设　／【　】　虫　由　备　ＰＥ　申．申申　防雷模块　的　显示、嬉詈／，－／　～　一＝…＝…　，　ｌ　ｖ　Ｖ　ｌ　电源防雷模块／　律箭　龇网　图３　ＴＮ系统防雷保安器的配置图　维普资讯 http://www.cqvip.com

ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＩＧＮＡＬＩ　ＩＮＧ＆ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ　Ｖｏ１．４２　Ｎｏ．８　２００６　３＋１模式的防护电路，则会大大降低防护效果，　对电子系统设备尤其不利。　ｌ　巨　相线、地线间，因此，只好在中性线和用户专设保　护地线（ＰＥ）之间增加１个防雷模块，而这个模块　要经受３条相线来的雷电流，目前还没有能够承受　这么大电流的压敏电阻模块，所以只好采用耐雷电　流能力大的放电间隙。这样，实际的防雷电路变成　了１个防雷模块和放电间隙串联，该电路在雷击时　ｌ　Ｌ１　用户开关　电源防雷箱　电源外线Ｉ　ＬＩ　Ｉ　Ｌ１　Ｉ　—　１　１　．　１Ｉ　Ｎ　串串　信　号　用　电　设　备　：ＰＥ　Ｙ／一　ｋ查气间隙　一一防雷．　电源防雷模块／穗转Ｈ　ｉ　图４错误安装在ＴＮ系统的电源防雷保安器３＋ｌ配置　在防雷模块采用纯压敏电阻时，ＴＴ系统可用　３＋１模式。图５是安装在ＴＴ系统的电源防雷保　安器３＋１配置图，其中有２点必须说明：①配电　变压器只向用户输送了３条相线和１条中性线，没　有保护地线，用户必须在用户处另设保护地线；　②配电变压器与用户间的距离较远，用户的保护地　线与配电变压器的地线没有关联。　耍　—　…　电源外线　Ｌ１　Ｉ　一　　【Ｉ　１　．　；　３串串　中的劣化显示装　／一［！＝ｋ空气间隙　电源防雷模块／－……　一７－Ｉ－．．．．－　图５　安装在ＴＴ系统的电源防雷保安器３＋１配置图　纯压敏电阻电源防雷模块劣化显示装置的动作　原理，是将压敏电阻阀片的１个电极用低温焊剂与　翻牌结构的弹簧焊接，一旦压敏电阻劣化短路，利　用电源电流流经压敏电阻时发热，使低温焊剂熔　化，弹簧复位而使劣化显示的绿牌翻为红牌，达到　劣化显示的目的。因此，要使劣化显示装置准确动　作，有２个条件：①压敏电阻必须完全劣化短路；　②必须有足够大的电流可将低温焊锡熔化。图６　中，ＴＴ系统中按４＋０模式并且防雷模块是纯压　敏电阻时，若压敏电阻劣化短路，电路不能提供足　够大的电流，劣化显示装置不能动作。假如这时，　配电变压器和用户距离较长，流经压敏电阻的电流　不能将劣化显示装置的低温焊锡熔化，就只好将压　敏电阻模块装在相线与中性线之间（见图６），使　劣化时电流经中性线流回变压器的地。但实际上雷　电感应发生在相线和地线之间，防雷器必须并联在　的残压是压敏电阻防雷模块残压与放电间隙残压的　和，它比单一的压敏电阻防雷模块高许多。由此可　见，在ＴＮ系统，若防雷器使用的是纯压敏电阻器　件，按照４＋０的标准配置，压敏电阻劣化时的故　障电流已可使劣化显示装置动作。　Ｊ一、一、１　Ｉ　Ｉ　用　天：　电源历雷柏　Ｌｌ　。。ｈ　ｎＹＹ、ｌ电源外线Ｉ　一！　　ＩＬ　２　Ｌ‘一　’　，－ｙ、—ｎ　Ｉ　Ｉ　Ｌ　３　Ｉ　Ｉ　ｌ　一　Ｎ　鸵电变压Ｉ器低压侧。防雷模块中电缆线较长Ｉｌ　的劣化显示装置／　甲甲中申　】　［　】　虫　　。’电源防雷模块　一一　一　一　　ＩＩ　广　一一一一一　。、＼变压器的地（与用户电源保护地无直接关联）　图６安装在ＴＴ系统的电源防雷保安器４＋ｏ配置图　・４并联型防雷保安器的接线应当尽量短　并联型电源防雷保安器接线长度对防雷效果的　影响非常大。如图７，当雷电侵入电源线时，假设　是１个８／２０／￣ｓ，３ｋＡ的雷电涌（雷电涌是电磁　波），它以行波方式在线路上传播。设这时电源防　雷保安器的残压为Ｖ。，３ｋＡ电流在连接线上的压　降为　和　：，在被保护设备相线和保护地线端　得到的保安器工作后的残压，是　、　与保安　器的残压　。之和（Ｖ。＋ＶＬ】＋ＶＬ。）。　３——　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年８月　铁道通信信号　Ａｕｇｕｓｔ．２００６　第４２卷第８期　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＩＧＮＡＬＬＩＮＧ＆ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ　Ｖｏ１．４２　Ｎｏ．８　陇海线开封运转场雷电防护改造　施锡芳　开封运转场信号设备为ＤＳ６—２Ｏ计算机联锁、　磁感应脉冲经信号传输线直接进入室内，感应出很　ＺＰＷ一２０００自动闭塞、智能电源屏、五级提速道岔　高的电动势，电子信息系统设备必然受到二次侵　及ＴＤＣＳ等。该站为郑州局雷害重灾区，２００４年　害，得不到前期的防护。　７月就曾发生过２次计算机联锁雷害故障。　４．等电位连接、屏蔽接地不完善，各种地线　２００５年郑州局信号设备防雷改造工程，针对　没有构成共地系统。　开封运转场进行现场摸底调查和雷电防护测算评　５．电源系统只有粗防护。　估，发现开封运转场信号楼原有的信号防雷系统存　针对以上问题，遵照综合防雷的理念，本着投　在以下问题。　资合理，充分利用既有防雷设备的原则，对开封运　１．防雷厂家各自为政，没有形成一个按照　转场信号楼防雷系统进行了改造。　ＴＢ／Ｔ３Ｏ７４要求的综合性防雷系统，难以适应电子　信息系统越来越高的防雷技术要求。　１完善直击雷的防护　２．防直击雷不全面。信号楼屋顶西南角设有　１．在信号楼屋顶上新增以９１０镀锌圆钢为材　１根近１０ｍ高的信号专用避雷针，距此５ｍ处立有　料的避雷带和避雷网，以及６条引下线。避雷带、　一座无线列调天线铁塔，塔上也有塔高３０ｍ的避　避雷网、引下线的连接之处都采用焊接，并在焊接　雷针。经对这２根避雷针的防雷范围采用滚球法进　点用防锈漆进行防护。　行计算后，证明信号楼只有１／３处在防雷范围，其　２．在原有的环形水平接地装置上，新增１３个　余２／３直接暴露在直击雷区域里。　低电阻接地模块（垂直接地体），采用由导电性、稳　３．信号传输线没有界面雷电防护，雷电的电　定性较好的非金属矿物和电介物组成的低电阻接地　模块。施工埋设要求模块间距不宜小于４ｍ，与地　＊郑州铁路局老科协电务分会工程师，４５００５２郑州　线连接时必须进行焊接，焊接长度不应小于　收稿日期：２００６—０２—０６　１００ｍｍ，不允许虚焊、漏焊，应在焊接处清除焊　能立即验证防雷器对雷害的防御性能。所以应当严　格参考模拟雷击试验的结果，选择合适的防雷器　件。此外，正确的安装对防护效果的影响极大，所　以，ＳＰＤ的合理适当选型，能量配合及正确安装　图８凯文接法不意图　十分关键。　Ｉ　参　考　文　献　１７００Ｖ。加上防雷器的残压，被保护设备端口得到　１　ＩＥＣ　６１６４３—‘１２　Ｌｏｗ—‘ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｕｒｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ　ｄｅｖｉｃｅｓ－－Ｐａｒｔ　的雷电压已经大大超过被保护设备的耐过电压水　２：Ｓｕｒｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅ　ｐｏｗｅｒ　平。因此，国家标准规定，并联型防雷保安器的连　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ—Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ．　接线长度不得超过０．５ｍ，否则，应当采用凯文接　２　Ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｐｅｔｅｒ　法，如图８所示。当防雷器接人线路时，一定要将　Ｈａｓｓｅ，Ｌｏｎｄｏｎ　Ｅｎｇｌａｎｄ，２ｎｄ　ｅｄｉｔｉｏｎ　２０００，Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｆａｒ—　线路断开，因此，接线的截面积一定不能小于电源　ａｄａｙ　Ｈｏｕｓｅ．　馈线的截面积。　３邱传睿．三加一配置ＳＰＤ的使用条件ＥＪ３．防雷技术，　２００５（４）．　雷电防护的特点是雷害为小概率事件，现场不　（责任编辑：温志红）　ｄ——