铁路信号智能电源屏课件5

多级防护原则
多级防护的原则是基于防雷区的划分原则而定的 从0级保护区到最内层保护区，必须实行分级保护。 对于电源系统，可将其分为1～IV级保护，从而将 过电压降到设备能承受的水平。
定义防雷区（ lpz ）（摘自的IEC 62305-4 ）
区域 LPZ 0A LPZ 0B LPZ 1
LPZ 2
描述
雷电对设备产生危害的根源是雷电电磁脉冲。 雷电电磁脉冲包括两个方面，雷电流和雷电电磁场。雷电流是产生直 击雷过电压的根源，而雷电电磁场则是产生感应雷过电压的根源。对 设备而言，雷电过电压的来源主要有以下几种：
1、感应过电压： 感应过电压是指雷击建筑物或其近区时，瞬态空
间电磁场造成设备的损坏。感应过电压包括电磁感应 和静电感应两个分量。静电感应过电压是由电容性耦 合产生的。而电磁感应过电压则是由电感性耦合产生 的。对于建筑物内的各种金属环路或电子设备而言， 电磁感应分量大于静电感应分量
瞬时过电压的分类
分类
产生原因
雷击
直接雷 感应雷
雷击直接电殛电源或信号线
静电感应 电磁感应
相线与地短路引起的过电压
浪 涌 电 线路浪涌 压
故障浪涌
一相开路引起的过电压
其它原因 无负载时开关
切断电流
系统开关过电压
容性或感性负载开关
整流 其它原因
电磁感应
EMI/RFI*
使用电吹风，无绳电话等
静电感应
人体静电，摩擦静电等
设备保护的作用主要是指经过适当的保护后，设 备免于受到雷击的损坏。
系统防护的原则
3、设备的防雷包括外部防雷和内部防雷两个部分，它们是 一个有机的整体。
外部防雷主要是指防直击雷，它是由接闪器、引下线和 接地装置组成。
内部防雷主要包括雷电感应、放反击、防雷电波侵入以 及提供人身安全，它是指除了外部防雷系统外的所有附加措 施。这些措施可能会减少雷电流在需要防雷的空间内所产生 的电磁效应，防止雷电损坏机房内的电气设备或电子设备。
设备的接地点处地电位的升高，使得设备外壳与设备的 导电部分产生高过电压（称为反击过电压），而导致设 备的损坏的现象。
系统防护的原则
1、应将系统及运行环境作为一个整体来进行考虑，防 护应该针对整体进行，不应该只考虑局部情况；
2、系统的保护可以分成线路保护和设备保护两部分， 两者相辅相成，缺一不可。
线路保护的作用主要是降低起源处的过电压、过 电流，从而减少对设备部分的危害。
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防雷原理
➢ 外电网引入机房建筑物应采用多级雷电防护。第Ⅰ级设在 户外交流电源馈线引入处（配电盘）（电力部门未做雷电防护 时，第Ⅰ级设在电力开关箱后）；第Ⅱ级设在电源屏电源引入 侧；第Ⅲ级设在微电子设备（指计算机终端电源稳压器或UPS 电源前）。 ➢ 第Ⅰ级电源防雷应有故障声光报警、雷电计数和状态显示 （三相电源每一相线均应有状态显示）等功能。 ➢ 电源防雷应采用信号电源防雷箱方式，信号防雷箱设置地 点应符合防火要求。
2、雷电侵入波 当雷云之间或雷云对地放电时，在附近的金属管
线上产生的感应过电压（包括静电感应和电磁感应两个 分量，但对于长距离线路而言，静电感应过电压分量分 量远大于电磁感应过压分量）。该感应过电压也会以行 波的形式窜入室内，造成电子设备的损坏。
3、反击过电压。 雷电反击是指雷击建筑物或其近区时，造成其附近
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防雷原理
D级防雷盒 C级防雷器
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防雷原理
输出防雷板
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防雷原理 为了更好的保护信号电源设备，防雷措施的实施应遵照“系 统防雷、分级防雷和概率防雷”的原则，在两路交流电输入 侧（信号电源屏前端）需要加上B级防雷。依据2006年3月铁 运〔2006〕26号文件即《铁路信号设备雷电及电磁兼容综合 防护实施指导意见》规定，要求信号防雷箱的冲击通流量 ≥40kA，相当于最大放电电流应达到80kA以上。参考：用于 电源屏前端的H9系列全模防护防雷箱其冲击通流量为40kA－ 60kA，最大通流量能达100KA以上。
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防雷原理
铁路信号设备雷电防护应采取综合防护的方法，主要为三个 方面：
• 改善电磁兼容环境条件，包含屏蔽、等电位设置以及合理 布线；
• 分区分级设置防雷保安器； • 良好接地措施
Q8：铁路信号设备雷电防护应采取综合防护的方法，主要有哪三个方面？
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防雷原理
3L+N
输入两级防雷
B级防 雷
C级防 雷
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小节
• 本节介绍了雷电防护电路、器件、方案及系统接线；通过 了解雷电知识和防护知识，使得在实际工作中正确采取合 理的防护，确保人身和信号设备的安全；
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概率防护原则
雷电防护是概率防护，我们不能提供100%的防护； 1、雷电放电本身就有一定的概率性，雷电参数就有一定的 统计性质，这就决定了建立在这些具有统计特性的雷电参数 之上的所有防护措施不能提供100%的防护。 2、防雷装置不能阻止雷电的形成。 3、防雷器件不能理想地消除所有干扰电压/电流。采取保护 措施的根本目的在于保证由干扰引起的大部分能量不扩散到 设备的易损件及操作人员
在雷云对地的放电中，90%左右的地闪是在负极性的雷云和正极性的大地 （含地面建筑物等）之间发生的，一般称为负极性雷击。相反，约有10%的雷 击呈正极性。因此，且以负极性雷击为例说明地闪的结构和过程。
在负极性雷云的感应下，地面呈现正极性电荷，并且随电场分布的变化可
以迅速集中到某个地点。然而，雷云与大地电场之间的空气仍然是绝缘的，必 须形成导电通道，地闪才能发生。于是，在大气电场强度达到一定程度时，大 气中的电子有足够大的动能撞击空气分子，使其电离并加入撞击，这种现象如 同雪崩，为形成雷电通道起开路先锋的作用。雷电随着雷电通道的开辟而向地 面探索着前进。这种梯级先导称为流柱，流柱在寻找一条电阻最小的通道，有 时遇到阻力，便另辟通道，于是空中便出现了不同形状的枝叉。在经过多次放 电，消失，再放电，再消失之后，梯级先导的通道前端已到达离地面很近的距 离（10m~100m），这时它的趋向开始受到地面物体的影响。可以这样理解， 从通道前端伸出一支长10m~100m的长臂向四周探索着，这个臂长叫做“击距” 在标准中叫做“滚球半径”其长短与雷电流幅值大小成正比。一旦接触到地面 物体或与地面提前先导相会便发生了闪击，从地面物上冲出一股明亮的光柱， 沿放电主通道达到雷云，完成一次回击放电或主放电。几十毫秒之后，由雷云 中伸出一条较暗的光柱，沿已开辟的主放电通道冲向地面，这就是第二次回击 放电，以及第三、四次，最多达26次放电。这种多次放电只见于负极性雷击， 正极性雷击只有一次放电。另有一种叫长时间放电雷击。
14% Unknown 41% Others
45% Lightning / Surges
防雷原理
• 鉴于雷击的危害，人们对防雷越来越重视。一般说来， 智能电源屏输入输出都采用了比较完善的防雷系统， 同时考虑信号设备复杂的工作环境，系统给室外设备 供电的输出也设有一级输出防雷，保证系统在恶劣的 环境下可靠工作。
闪电 由于雷雨云中不同部位聚集着不同极性的电荷，当电荷积累达到一
定程度时，在云团与云团之间，云团与地面之间会产生很强的电场，当 电场强度达到空气击穿强度时，便会发生正负电荷之间的放电现象，这 种瞬间的强火花放电就是闪电。
闪电过程中产生了强大的雷电流（目前观测到的最大雷电电流幅值 为430KA）和高电压（雷电通道两端电位差可达上万伏），因此按功率 为电压与电流之积计算，雷电具有极强大的功率，从而构成一次爆炸过 程。雷电直击到地面的建筑物和各种生物上，因其电效应，热效应和机 械力会造成严重的破坏和灾害。雷电的强大的破坏力，主要是由于它把 雷云蕴藏的能量在极短促的几十微秒中释放出来，它的功率巨大，但是 由于放电时间太短，以功率乘以时间得出功的数值却很小，只有几十千 瓦小时。
防雷原理
• 防雷单元 • 由于铁路用防雷器有其特殊性，铁标要求其在不遭受
雷电袭击时没有漏电流，因此主要由壳体、放电管、 压敏电阻等部分构成。 • 信号电源屏内输入防雷单元采用C＋D级防雷器组合， 输出防雷单元根据电源类型选取相应防雷器或采用输 入防雷板组件。输入防雷单元在电源屏中的位置如图 所示。
D级防雷
输出防雷
输
直流模块 出
信
配
号
电
设
交流模块
防 雷
备
电源房进线处， 系统交流 为用户选配 配电处
模块前端
模块内防雷
面对恶劣环境，我们应付自如
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防雷原理
• 通过C、D两级防雷（有些机房外面也安装了容量更大的B 级防雷），能最大限度的防治雷电危害。输出防雷主要防 止输出部分雷电危害。
• 电源屏系统输入防雷装置至少可承受8/20μs电流冲击波 20kA、20次；8/20μs电流冲击波40kA、1次。系统的输出 防雷装置至少可承受8/20μS电流冲击波5kA、10次。
第二章 铁路信号智能电源屏工作原理 第一节 系统工作原理 第二节 两路切换原理 第三节 稳压原理 第四节 监测原理 第五节 防雷原理
1
第五节 防雷原理
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雷电危害
Fig. 1 损坏的原因 Fig. 2 在过去的几年中平均损坏的原因
22,9% Negligence 4,6% Fire 15,3% Others 5,6% Water 27,1% Theft, Vandalism 0,8% Elemental 23,7% Surges
区域内的威胁，是由于直接闪电和充分雷电电磁场。内部系统可能会受到充分雷 电电涌电流。
区域的保护，免受直接雷电闪烁，但那里的威胁是全面雷电电磁场。内部系统可 能会受到部分雷电电涌电流。
区域所在电涌电流是有限的，由目前的共享和结构化产品说明在边境。空间屏蔽 可能衰减雷电电磁场。
区域所在电涌电流可能会进一步受到限制，由目前的共享和额外的结构化产品说 明在边境。额外的空间屏蔽可能被用来进一步减弱雷电电磁场。
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雷雨云 雷电是雷雨云之间或在云地之间产生的放电现象，雷雨云是产生雷电的
先
• 水滴破裂效应：云中水滴在高速气流中作激烈运动，分裂成一些带负电的 较大颗粒和带正电的较小颗粒，后者同时被上升气流携带到高空，前者落在 低空，这样正负两种电荷便在云层中被分离，这也就是造成90％的云层下部 带负电的原因。 • 吸电荷效应：由于宇宙射线或其它电离作用，大气中存在正负离子，又因 为空间存在电场，在电场力的作用下正负离子在云的上下层分别积累，从而 使雷雨云带电，又称感应起电。 • 水滴冻冰效应：水滴在结冰过程中会产生电荷，冰晶带正电荷，水带负电 荷，当上升气流把冰晶上的水分带走时，就会导致电荷的分离，而使雷雨云 带电。 • 温差起电效应：实验证明在冰块中存在着正离子（H+）和负离子（OH），在温度发生变化时，离子发生扩散运动并相互分离。积雨云中的冰晶和 雹粒在对流的碰撞和摩擦运动中会造成温度差异，并因温差起电，带电的离 子又因重力和气候作用而分离扩散，最后达到一定的动态平衡。 综上所述，雷雨云起电可能是某一机理也可能是多种机理的效应而产生的。