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浅析铁路通信电源动力及环境的雷电安全防护

梁晶

中国铁路呼和浩特局集团有限公司呼和浩特通信段,内蒙古呼和浩特市,010050

摘要: 随着信息技术的高度发展,作为行业中技术较“前沿”的铁路通信设备,对电源质量要求很高。然而,通信机房内、基站,因雷击而造成设备损坏,通信中断是常有的事情,其中雷电通过电力网和通信电源而造成设备损坏或通信中断的又占有较大的比例。因此,对通信电源的防雷要有足够重视并加强相关安全防护.
关键词: 通信电源;雷电防护;安全防护;动力环境
DOI:10.12721/ccn.2022.159204
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一、通信电源的动力环境及防雷认识

通信电源动力环境交流供电变压器绝大多数为 10kV,容量从 20kV·A到 2000 kV·A 不等。220/380 V 低压供电线短则几十m,长则数百上千m乃至几十 km。市电油机转换屏用于市电和油机自发电的倒换。交流稳压器有机械式和参数式两种,前者的响应时间和调节时间均较慢,一般各为 0.5 s 左右。如下图:1.png通信电源的典型动力环境

防雷是一项系统工程,通信电源防雷只是这项系统工程的一部分。理论研究和实践都表明,若这项防雷系统工程的其他部分不完备,仅单纯对通信电源防雷,其结果是既做不好通信站内其他设备的防雷,又会给通信电源留下易受雷击损坏的隐患。这是因为雷电冲击波的电流/电压幅值很大,持续时间又极短,企图在某一位置、靠一套防雷装置就解决问题是目前科技水平所无法实现的。根据国际电工委员会标准IEC664 给出的低压电气设备的绝缘配合水平,对雷电或其他瞬变电压的防护应分 A、B.C等多级来实现,

我国的通信行业标准也对变压器、220/380V 供电线、进出通信站金属体和通信机房等的防雷措施作出了相应规定。若不按这些规定采取相应的 A 级和 B级防雷措施,

变压器高压侧避雷器的残压将直接加到电源防雷器上,这是非常危险的。

二、雷击通信电源的主要途径

雷击通信电源的主要途径有以下几种:

①变压器高压侧输电线路遭直击雷,雷电流经“变压器→380 V 供电线→…→交流屏”,最后窜入通信电源。

②220/380 V 供电线路遭直击雷或感应雷,雷电流经稳压器、交流屏等窜人通信电源。

③雷电流通过其他交、直流负载或线路窜人通信电源。

④地电位升高反击通信电源。例如:为实现通信网的“防雷等电位连接”,现在的通信网接地系统几乎全部采用联合接地方式。这样当雷电击中已经接地的进出机房的金属管道(电缆)时,很有可能造成地电位升高,这时交流供电线通信电源的交流输入端子对机壳的电压 up近似等于地电位。雷电流一般在 10 kA 以上,故 up一般为几万 V 乃至几十万 V。显然,地电位升高将轻而易举地击穿通信电源的绝缘。

三、通信防雷元器件劣化原因分析

除雷电冲击波以外,还存在另外一些过电压,如:变压器高压绕组发生接地故障时,在低压侧引起的工频持续过电压;脉宽在 0.1s 以内、幅值一般不超过 6kV 的操作过电压;脉宽在0.1s到 0. 2 s,幅值一般不超过 3 kV的暂时过电压。

对雷电冲击波,操作过电压和暂时过电压,电源防雷装置一样能够且必须为通信电源提供保护。若这些过电压的能量太大,超过防雷器的最大吸收能量,防雷器将不可避免地失效,这属正常现象。

防雷器只能用于吸收脉宽较窄的尖峰电压,不能用来吸收能量极大的工频持续过电压。但铁路部系统分站使用农电,工频持续过电压却不时发生,所以我们经常碰到的是没有雷击,防雷器也坏。下面结合通信电源防护经验,分析致防雷器失效的电网质量问题。

1.接地故障引起的工频持续过电压

常用的低压电力网有两种型式,一种是变压器中性点直接接地、设备外壳单独接地,两接地无电气连接的 TT 配电系统;另一种是变压器中性点直接接地、设备外壳接地亦通过变压器的接地来实现的 TN-S 配电系统,对防雷器危害最大的接地故障是变压器高压绕组发生接地故障,这时两种配电系统的工频持续过电压,导致通信电源防雷元器件失效。

2.零线对地电压漂移的影响

从外三相负载严重不平衡或通信电源距离变压器较远,都可能使零线对地电压uN-PE出现较大漂移。如果在相线对地之间直接装防雷器,则防雷器端电压uSPD为相电压 uL-N与零线对地电压的矢量和,即:uSPD = uN-PE=uL-N +uN-PE

显然,防雷器很容易因端电压超过其最大持续工作电压而失效。

3.稳压器的影响

交流稳压器有两种,一种是参数式,另一种是机械式。前者的响应时间较短,一般小于0.1s。机械式交流稳压器是通过伺服电机改变副边绕组匝数来实现稳压的,其反应时间和调节时间主要取决于惯性较大的伺服电机,各为 0.5 s左右。这种稳压器,在电网电压频繁波动或瞬时停电时,将因来不及反应而给电源防雷器,电源整流主回路造成损害。

四、通信电源动力及环境防雷措施

1.供电线路和设备的防雷措施

变压器高、低压侧均应各装一组氧化锌避雷器,氧化锌避雷器应尽量靠近变压器装设。变压器低压侧第一级避雷器与第二级避雷器的距离应大于或等于 10 m。

严禁采用架空交、直流电力线进出通信站。

埋地引入通信站的电力电缆应选用金属铠装层电力电缆或穿钢管的护套电缆,埋地电力电缆的金属护套两端应就近接地。在架空电力线路与埋地电力电缆连接处应装设避雷器,避雷器、电力电缆金属护层、绝缘子、铁脚、金具等应连在一起就近接地。

自通信机房引出的电力线应采用有金属护套的电力电缆或将其穿钢管,在屋外埋人地中的长度应在 10m 以上。

通信站内交、直流配电设备及电源自动倒换控制架,应选用机内有分级防雷措施的产品,即交流屏输人端,自动稳压稳流的控制电路,均应有防雷措施。

2.PS通信电源的防雷措施

PS通信电源的防雷一般采用的防雷原件是压敏电阻和气体放电管。目前用在PS通信电源交流配电部分的压敏电阻有OBO系列、SIOV系列、Dehng Uard系列等防雷器。

电源防雷方案,严格依照IEC 1312、 IEC 1643等标准设计和安装,出厂时均为两级防雷。对个别雷害严重、动力环境防雷不完备或有其他特殊要求机房,应安装 B级防雷装置,构成先进的三级防雷体系。PS通信电源防雷措施有以下特征:

(1)在压敏电阻和气体放电管前均串联有空气开关或保险丝,能有效防止火灾的发生。

(2)一般防雷是在三根相线对地、零线对地之间直接装压敏电阻,而PS通信电源是在三根相线对零线之间装压敏电阻,在零线对地之间装气体放电管。

同 OBO 防雷器类似,Dehnguard 385 也可监控,也有正常为绿,损坏变红的显示窗。Dehngap C无报警功能,无显示窗。防雷盒上有指示灯,正常时发绿光,损坏后熄灭。防雷器或防雷盒出现故障后,必须及时维修。结束语
任何一项防雷工程都必须兼顾防雷效果和经济性,是概率工程。对防雷的设计越高,所需的投资就会成倍增长。即便不考虑经济性,设计上非常严格的防雷工程也不能保证百分之百不受雷击,本文结合铁路通信电源工作经验及相关防雷知识,为通信电源动力及环境的防雷提供思路。