牵引变电所综合自动化系统DK1000防浪涌研究

　　摘要：本文从浪涌的概念、产生的原因及危害，说明了综合自动化系统防浪涌的意义，重点阐述了牵引变电所综合自动化系统防浪涌分析、防浪涌入侵的解决方案，浪涌保护器的工作原理、采用的关键技术等，对其它设备厂家进行二次系统浪涌防护具有指导意义。

　　关键词：综合自动化；浪涌防护；保护措施

　　牵引变电所综合自动化系统是电气化铁道牵引变电所的重要组成部分，由于大量采用微型化、集成化的电子元器件，其过电压、过电流能力比较脆弱，近年来遭受雷电和过电压破坏的比例呈不断上升的趋势。然而，针对牵引变电所综合自动化系统浪涌防护措施却仍未得到很好的解决。因此加强牵引变电所综合自动化系统防浪涌保护措施的研究，确保在浪涌冲击条件下牵引变电所综合自动化系统的正常运行很有必要。

　　1 浪涌的概念

　　浪涌［英］Electrical surge，顾名思义就是瞬间出现超出稳定值的峰值，它包括浪涌电压和浪涌电流。

　　浪涌电压是指的超出正常工作电压的瞬间过电压。本质上讲，浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。

　　浪涌电流是指电源接通瞬间或是在电路出现异常情况下产生的远大于稳态电流的峰值电流或过载电流。

　　在电子设计中，浪涌主要指的是电源刚开通的那一瞬间产生的强力脉冲，由于电路本身的非线性有可能高于电源本身的脉冲；或者由于电源或电路中其它部分受到本身或外来尖脉冲干扰叫做浪涌。它很可能使电路在浪涌的一瞬间烧坏，如PN结电容击穿，电阻烧断等等。

　　2 浪涌电压来源及危害

　　（1）直击雷：直击雷蕴含极大的能量，电压峰值可达5000kV，具有极大的破坏力。

　　（2）传导雷：远处的雷电击中线路或因电磁感应产生的极高电压，由室外电源线路和通信线路传至建筑物内，损坏电气设备。

　　（3）感应雷：云层之间的频繁放电产生强大的电磁波，在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压，峰值可达50kV。

　　（4）操作过电压：供电系统中的电感性和电容性负载开启或断开、地极短路、电源线路短路等，都能在电源线路上产生高压脉冲，其脉冲电压可达到线电压的3.5倍，从而损坏设备，破坏效果与雷击类似。

　　3 防浪涌的意义

　　当雷击牵引变电所附近大地、架空线路和雷云放电时直接形成、或者由于静电及电磁感应形成的冲击电压极易通过与综合自动化系统、视频系统相连的电源、控制、信号、通信线路及接地系统的各种接口，以传导、耦合、辐射等方式侵入综自系统，由此产生的冲击过电压极易使综合自动化系统的弱电设备和薄弱环节损坏。通过增加相应的防浪涌设备，可以有效保护综合自动化系统设备的安全稳定运行。

　　防浪涌保护措施和方案的研究与实施，可以从根本上保障在浪涌冲击条件下牵引变电所综合自动化系统的正常运行，从而提高牵引变电设备运行可靠性的。

　　4 防浪涌分析

　　4.1 浪涌入侵二次系统的途径

　　众所周知，牵引变电所内都设置有可靠的、完备的防雷措施，现场直击雷不可能直接击到二次设备上，但是感应雷电磁脉冲很容易进入耐压、抗干扰能力相对较弱的二次设备，造成牵引变电所综合自动化系统电子器件性能损坏以至个别元件击穿烧毁。

　　通过控制室内设备安装、接线分析表明，雷电入侵设备主要有以下几个途径：

　　（1）通过二次设备的交流回路入侵；

　　（2）通过二次设备的控制回路入侵；

　　（3）通过二次设备的信号回路入侵；

　　（4）通过二次设备的电源回路入侵；

　　（5）通过二次设备的通信回路入侵；

　　（6）通过架设在户外的GPS天线入侵；

　　（7）通过安装的视频设备的线路入侵。

　　4.2 浪涌入侵二次系统各环节分析

　　4.2.1 交流输入回路

　　通过对现场的二次综自设备与外部设备连接走线实际分析认为，二次设备交流输入回路在二次侧单点接地基础上，保护测控装置电压、电流互感器二次侧一般都设置有抑制电压突增的TVS器件、压敏电阻元件。当雷击互感器导致高压击穿低压时，通过线圈二次侧接地端可直接泄放雷电流或击穿电流。因此，二次设备不会通过测量或保护用的交流回路传导雷电波电磁干扰。交流回路相对安全，不用考虑防浪涌入侵。

　　4.2.2 控制回路

　　控制回路一般通过接线端子完成柜内设备与其它设备的电缆连接，容易遭受浪涌电压入侵，由于柜内空间有限，传统意义上的防浪涌模块柜内安装不方便，而且会对既有成熟的综自、视频设计方案产生较大的影响。考虑采用将防浪涌模块集成到接线端子上来起到防护作用。

　　4.2.3 信号回路

　　目前二次设备信号（开关量）采集回路存在两种模式：

　　（1）开关量直接通过接线端子接入二次设备：该模式防浪涌需求与控制回路类似。

　　（2）开关量通过光藕端子接入二次设备：

　　该模式由于采用光耦器件进行信号隔离，对瞬变信号反映不灵敏，通过信号回路引入雷电波干扰的可能性也很低。但当户外开关类设备高压对二次击穿时，由于电压极高，光电耦合设备无法释放如此大的能量，则会造成光电耦合回路击穿，导致设备损坏。因此为避免通过信号回路烧损设备，设备应采用两级光电隔离模式进行设计。即外部一次开关设备的信号首先通过光电耦合端子器件由直流电源等级降为较低的24V，再经保护测控装置内的光电耦合回路进入装置。这样设计后当发生高压信号回路击穿时，会导致装置外部的光电耦合端子击穿，但不会影响装置损坏，光耦端子布局明显，便于更换。但对于信号电源部分的接线仍需要考虑防浪涌。

　　4.2.4 电源回路

　　二次设备一般都采用直流开关电源对装置各单元供电，开关电源回路有一定抑制电压突变能力，但开关电源采用的变频控制手段，虽然控制灵活，但较易受脉冲信号源（雷击）或超高频信号的影响，因此，在实际工程处理上应优先从设备电源回路进行综合考虑。首先需要在牵引变电所的交直流电源系统进行防浪涌设计，配置必要的防浪涌元件，满足主要雷电流的泄放要求。

　　针对二次系统，可在微机保护装置电源输入处安装能可靠避雷、抗电磁干扰及电源滤波的相关避雷器件，以提高系统整体可靠性。

　　4.2.5 通信回路

　　二次系统的通信主要包括所内通信及远程通信。所内通信主要包括综自系统自身网络通信及站内其它智能接口设备通信。远动通信主要包括与铁路调度系统（含供电段）、与电力系统调度系统通信等。

　　接口方式主要包括：以太网接口、2ME1接口、串口、音频接口。

　　由于通信接口设备耐过电压能力更低，需要考虑完善的防护措施。

　　4.2.6 GPS天线

　　GPS天线一般安装于户外房屋顶端或空旷地带高处，因此GPS天线也是雷击的薄弱环节，需要设置必要的防浪涌措施。

　　4.2.7 视频系统

　　视频系统同样存在对外联系的控制、信号、电源及通信回路，也应该纳入综合雷电防护范围之内。

　　摄像机一般安装在视角开阔的高耸地方，固定在屋顶、墙角、或是支架上，更容易遭受浪涌电压入侵。同时摄像机的视屏线接入综自室线路距离长，传导的浪涌电压幅值较高，所以对摄像机的控制线，视频线和电源线做放浪涌设计十分有必要。

　　5 防浪涌入侵解决方案

　　针对以上分析，需要在浪涌电压能够入侵的环节通过一定的技术手段阻止具有破坏力的浪涌电压入侵系统。目前防止浪涌电压入侵的技术手段有：安装浪涌保护器；等电位连接；屏蔽。

　　5.1 浪涌保护工作原理

　　5.1.1 浪涌保护器：检测SPD，能够泄放线路上的浪涌过电压，并将浪涌过电压钳位在设备能够承受的范围内。目前比较先进的SPD采用并联型短路工作原理。SPD相当于快速的电子开关，浪涌电压过来时，开关闭合，浪涌电压入地以保护后续设备。

　　5.1.2 等电位：将正常不带电的大件金属体（机柜外壳等）连接起来，并与地（采用共用接地方式）做良好连接，以消除金属件之间的电位差，防止地电位反击等现象发生，起到保护线路的目的。

　　5.1.3 屏蔽：屏蔽技术主要在电磁感应路径上有效的削弱由电磁感应所产生的浪涌过电压。采用屏蔽电缆，金属机柜屏蔽等措施，一般的屏蔽措施虽不能完全将雷电屏蔽，但屏蔽能有效地防止高频干扰。电缆屏蔽层，一端接地屏蔽效果较差；两端接地屏蔽效果较好；套金属管双层屏蔽能有效屏蔽90%的浪涌入侵强度。

　　对一个系统需要三种方法相结合来预防和治理浪涌电压的入侵。新建所亭三种方法都可采用，同时施工难度也相对不大。对于老所改造，施工相对容易的方法是加装浪涌保护器和等电位连接，采用屏蔽施工难度较高，影响范围较广，施工周期较长。所以最简单有效的方法是加装浪涌保护器。

　　5.2 管理系统

　　所内安装了浪涌保护器件，浪涌保护器件的工作状态及遭受浪涌电压入侵的时间、次数、强度都是用户需要掌握的信息。对浪涌保护器件做综合化的智能管理是现代智能化综自系统必不可少的部分。为解决以上问题，必须配套使用浪涌保护器管理系统。

　　该管理系统在浪涌保护器故障时要能够发出报警信息；在变电所遭受浪涌电压入侵时要能够记录入侵的时间和放电电流强度；管理系统应具有事项记录功能，在掉电情况下数据不丢失；管理系统能够开发接口协议，与上层通讯管理单元通讯，上传信息，自动校时。6浪涌保护器工作原理

　　针对不同回路应用特点，有针对性地研制相关的浪涌保护器。主要包括：智能端子型浪涌保护器；交流电源浪涌保护器；各类通信浪涌保护器；激光收发装置；雷电智能管理单元等。

　　6.1 智能端子型防浪涌保护器

　　智能端子型浪涌保护器在二次系统防浪涌方案中的使用量最大，研制难度也是最大的。二次系统狭小的安装空间严格限制了浪涌保护器的设计尺寸，设计尺寸的减少对元器件回路设计提出的较高的要求；二次系统对绝缘性能有较高的要求，某种意义上与防雷自相矛盾，防雷器的使用不能影响正常运行系统的绝缘性能，同时作为系统主要的元器件，要实现智能化。

　　考虑浪涌保护器内部器件故障可发生短路或是器件老化，在正常工作电压下产生较大的短路电流或续流，该电流产生的热量集中于保护器内部，保护器内部器件焊接采用低温焊锡，当温度升高，低温焊锡融化，保护器内部的弹簧储能机构可推动回路中的器件移动，使线路断开，从而保证及时的切除故障。

　　6.2 交流电源

　　浪涌保护器主要用于交流回路防浪涌保护，有较为成熟的技术可以借鉴。需要考虑二次系统耐压试验的方便性。

　　6.3 各类通信浪涌保护器

　　统一底座设计，用于防护信息系统线路电涌过电压设备端。具有反应速度快、传输特性高的特点；同时模块均可免工具维护，既可采用组合方式也可采用单模块方式。

　　6.4 激光收发装置

　　端子型浪涌保护器安装较为密集，每个端子设有报警故障指示功能，若采用传统的报警模式，需要对每一个保护器接信号线，不仅造成接线工作复杂，且将占用较多的开入信号。该产品针对端子型浪涌保护器而设计，作为端子型浪涌保护器故障的报警指示装置。

　　通过为端子型保护器量身设计的激光收发装置，可最大限度的简化接线，便于施工，带来可观的应用价值。也是同行业率先采用的报警模式，作为研发设计的探索尝试。

　　6.5 雷电智能管理单元

　　雷电智能管理单元负责管理所有防雷模块的实时状况，本身带有液晶显示器，能在管理单元上查询机柜内所有防雷模块的实时状况。记录雷击发生的次数和时间、记录失效模块的编号和发生时间。管理单元配有485端口，并能将数据通过此端口传输给控制室的工作主机，以方便技术人员对设备的监控。

　　7 采用的关键技术

　　（1）采用分布式二次防浪涌及过电压的设计思想，解决二次系统浪涌及过电压入侵途径分散且众多的问题。

　　（2）完全端子替代型产品设计方式，即解决二次系统安装空间问题，又保证二次系统原有的独立性。

　　（3）高灵敏度，热量采集可以在最短时间大量集中，在防雷器热量最集中地设置脱扣点，可以在最短时间内完成脱扣瞬间报警功能；

　　（4）故障导向安全，高安全系数，脱扣后其中一元件后迅速远离脱扣点，和另外一个元件的距离直接增大；避免两元件之间产生弧电导通导致防雷器失效。

　　（5）串联组合具有电容量小，工作频率高；漏电流极小因而安全性好；以及不存在压敏电阻在系统电压下老化的问题，因而可靠性高等优点。

　　（6）脱扣机械遮挡触发激光报警技术。

　　8 结束语

　　目前，该装置分别在大秦铁路股份有限公司侯马北供电段侯马北供电段翼城牵引变电所以及郑州铁路局新乡供电段龙泉村变电所运行。在侯马北供电段翼城牵引变电所运行期间，翼城地区出现多次雷雨天气，通过雷雨记录查询，翼城牵引变电所设备共遭受7次雷击，但所内设备运行正常、稳定，未出现因雷击产生的高电压、大电流损坏二次设备的现象，有效的保护了综合自动化系统设备的安全稳定运行。提高了现场牵引供电设备运行的可靠性和牵引供电系统的安全性。

　　系统安装后至今，各部模块、元器件运行未定，数据记录齐全、查询方便，未出现任何设备质量问题。

　　参考文献

　　1.GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》.北京.中国计划出版社.2011

　　2.GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》.北京.中国建筑工业出版社.2004

　　3.GB18802.1-2011《低压配电系统的电涌保护器（SPD）》.北京.中国标准出版社.2012

　　4.TB/T2311-2008《铁路信号设备用浪涌保护器》北京.中国铁道出版社.2008

　　5.DL/T548-2012《电力系统通信站过电压防护规程》北京.中国电力出版社.2012

　　文/邓建峰