铁路信号智能电源屏--防雷原理

铁路信号智能电源屏工作原理 系统工作原理 两路切换原理 稳压原理 监测原理 防雷原理1 防雷原理222,9%Negligence4,6%Fire14%Unknown41%Others15,3%Others45%Lightning/Surges5,6%Water27,1%Theft,Vandalism0,8%Elemental23,7%SurgesFig.1损坏的原因Fig.2在过去的几年中平均损坏的原因雷电危害雷电危害防雷原理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。4雷雨云雷雨云 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决条件。雷雨云起电的机理目前主要有四种理论：水滴破裂效应水滴破裂效应：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。闪电闪电 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。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（10m100m），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10m100m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。地闪结构的典型情况地闪的全过程雷电流波形：图11（a）是典型雷电流波形图。假定该雷电流的幅值为100KA（第三类防雷建筑物设计防范标准）。从图上可以看出幅值从0到100KA的上升时间是很短促的，在达到峰值后，雷电流以较长时间逐步降低。为用文字描述雷电波波形，IEC使用了波头时间（T1），半值时间（T2）和平均陡度（I/T1）这样一些概念。波头时间（T1）：雷电流由幅值的10%（即100kA的10%为10kA），上升到90%（即100kA的90%为90kA）所需要的时间。这个时间IEC规定了首次雷击的参数值为10s，后继雷击为0.25s。半值时间（T2）雷电流由幅值10%上升到峰值，并逐淅下降到幅值50%（即100KA的50%为50kA）所需要的时间。这个时间IEC规定了首次雷击的参数值为350s，后继雷击为100s。可以用T1/T2来表示波形，如10/350s代表首次雷击波形，0.25/100s代表后继雷击波形。在过电压保护试验时还常用8/20s，1.2/50s等波形。雷电波频谱是研究避雷的重要依据。从雷电波频谱结构可以获悉雷电波电压、电流的能量在各频段的分布，根据这些数据可以估算各频带范围内雷电冲击的幅度和能量大小，进而确定适当的避雷措施。通过对雷电波的频谱分析可知：1、雷电流主要分布在低频部分，且随着频率的升高而递减。在波尾相同时，波前越陡高次谐波越丰富。在波前相同的情况下，波尾越长，低频部分越丰富；2、雷电的能量主要集中在低频部分，约90%以上的雷电能量分布在频率为10KHz以下。所以，只要防止10kHz 以下频率的雷电波窜入，就能把雷电波能量消减90%以上。雷电对设备产生危害的根源是雷电电磁脉冲。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：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：感应过电压是指雷击建筑物或其近区时，瞬态空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，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电磁感应分量大于静电感应分量2、雷电侵入波、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。的形式窜入室内，造成电子设备的损坏。3、反击过电压。、反击过电压。雷电反击是指雷击建筑物或其近区时，造成其附近雷电反击是指雷击建筑物或其近区时，造成其附近设备的接地点处地电位的升高，使得设备外壳与设备的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。备的损坏的现象。系统防护的原则系统防护的原则 1、应将系统及运行环境作为一个整体来进行考虑，防、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；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，、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。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。流，从而减少对设备部分的危害。设备保护的作用主要是指经过适当的保护后，设备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。免于受到雷击的损坏。3、设备的防雷包括外部防雷和内部防雷两个部分，它们是、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。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。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。的电磁效应，防止雷电损坏机房内的电气设备或电子设备。系统防护的原则系统防护的原则概率防护原则概率防护原则雷电防护是概率防护，我们不能提供雷电防护是概率防护，我们不能提供100%的防护；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、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上的所有防护措施不能提供100%的防护。的防护。2、防雷装置不能阻止雷电的形成。、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、防雷器件不能理想地消除所有干扰电压/电流。采取保护电流。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设备的易损件及操作人员多级防护的原则是基于防雷区的划分原则而定的多级防护的原则是基于防雷区的划分原则而定的从从0级保护区到最内层保护区，必须实行分级保护。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，可将其分为对于电源系统，可将其分为1IV级保护，从而将级保护，从而将过电压降到设备能承受的水平。过电压降到设备能承受的水平。多级防护原则多级防护原则区域区域描述描述LPZ0A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。LPZ0B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。LPZ1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。LPZ2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。定义防雷区（定义防雷区（lpz）（摘自的）（摘自的IEC 62305-4）浪浪涌涌电电压压分类分类产生原因产生原因雷击雷击直接雷直接雷雷击直接电殛电源或信号线雷击直接电殛电源或信号线感应雷感应雷静电感应静电感应电磁感应电磁感应线路浪涌线路浪涌故障浪涌故障浪涌相线与地短路引起的过电压相线与地短路引起的过电压一相开路引起的过电压一相开路引起的过电压其它原因其它原因系统开关过电压系统开关过电压无负载时开关无负载时开关切断电流切断电流容性或感性负载开关容性或感性负载开关整流