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摘要：电涌保护器（SPD）是城市轨道交通雷电防护的重要组成部分，也是安全运营的重要保障。本文阐述了雷电的形成及危害，介绍了城市轨道交通雷电防护措施，结合深圳城市轨道交通低压配电系统防雷设计中SPD的选型实践，探讨适合城市轨道交通各类建筑物SPD三级防雷设置方案及低压配电系统SPD的设计选型。
关键词：轨道交通低压配电系统防雷 电涌保护器（SPD）
目前，全国各大中城市均在快速推进城市轨道交通建设，随着地铁设备特别是电子、微电子集成化设备的大量应用，雷电过电压和雷击电磁脉冲所造成的系统和设备的损坏越来越多。因此，对电气系统设备、电子系统设备起防雷保护的低压配电雷电防护要求越来越严、越来越细，并且轨道交通工程国家专项防雷验收也越来越规范，在此将深圳地铁低压配电系统防雷设计中电涌保护器（SPD）选型的一些经验与大家交流共勉。
1 雷电的形成及危害
雷电是因强对流气候而形成的雷雨云层间和云层与大地间强烈瞬间放电现象，其放电流可达数十千安培，甚至数百千安培。放电瞬间，雷电流产生巨大的破坏力和很强的电磁干扰作用，引起的灾害是自然界十大自然灾害之一。雷电通过直击雷、感应雷、雷电波侵入和地电位反击等方式威胁人身安全，对电气设备、特对是电子设备产生巨大的破坏作用。
图1 雷电途径及综合防雷措施
我国雷电灾害严重，活动频繁。目前，人类还无法有效抑制雷电的发生，只能设法限制雷击所造成的破坏作用，将其危害减小到尽可能低的程度。城市轨道交通属于人员密集的公共场合，通信、信号、综合监控系统等弱电设备众多且系统构成复杂。一旦遭受雷击或雷电波侵入，将危及城市轨道交通的正常运行秩序，甚至造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失。因此，城市轨道交通防雷保护具有重要的意义。
2 城市轨道交通雷电防护
城市轨道交通雷电防护包括外部和内部雷电防护系统。外部雷电防护系建（构）筑物外部或本体的雷电防护部分，通常由接闪器、引下线和接地装置组成，用于防直击雷。内部雷电防护系建（构）筑物内部的雷电防护部分，通常由电涌保护器、综合接地系统、等电位连接系统等组成，使雷击和感应的雷电流和其他浪涌引起的内部设施分流或浪涌电流泄放入大地，从而保护建筑物内人员和设备的安全。其中低压配电系统采用电涌保护器防雷，属于内部雷电防护系统的一种形式。
图2 城市轨道交通综合防雷构成图
电涌保护器（Surge Protection Device）是电气和电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，英文简写为SPD，以下简称SPD。SPD的类型和结构按不同的用途有所不同，但它至少应包含一个非线性电压限制元件。按其工作原理分类，SPD可以分为电压开关型、限压型及组合型。
SPD用于限制瞬态过电压和分泄电涌电流，它对直接雷电、间接雷电或其他瞬时过压的电涌进行保护，具有相对相、相对地、相对中线、中线对地及其组合等保护模式。雷电防护采用多级防护，以各防雷区为层次，雷电能量逐级减弱，各级限制电压相互配合，最终使过电压限制在设备绝缘强度之内。城市轨道交通低压配电系统SPD雷电防护一般分三级，第一级安装在0.4kV低压柜进线侧，第二级安装在一级配电箱进线处，第三级安装在其他需要保护的重要弱电设备电源箱的进线处。根据安装位置及保护模式的不同，SPD的选型也不同。
3 城市轨道交通低压配电系统SPD设计选型
目前关于建（构）筑物防雷设计中无针对SPD选型的专门规范，现一般遵行《建筑物防雷设计规范》GB5007-2010、《低压配电系统的电涌保护器（SPD）第1部分性能要求和试验方法》GB 18802.1-2011的相关规定。由于城市轨道交通包括地下、地面、高架等多种建筑形式，SPD选型也与一般建筑物的惯例有所区别；再者承担各地或各线轨道交通的设计院不同，SPD选型标准也没有统一标准。因此，轨道交通低压配电系统防雷设计中SPD选型存在一些尚可探讨的地方。下面结合深圳地铁低压配电系统防雷设计中SPD选型实践，提出笔者个人的看法，以期引起讨论。
3.1低压配电系统第一级防雷
3.1.1高架站、地面车辆段及停车场
高架站、地面车辆段及停车场均在地上，由于深圳地区雷电天气较多，年平均雷暴日数达73.9天，属于多雷地区，该类建筑属于二类防雷建筑物。建筑内低压配电系统、电子系统中的电气线路、电气设备、电子设备容易遭受直击雷、感应雷的侵入以及操作过电压等的袭扰，即该类建筑物易受到10/350μs典型波形的雷电冲击。
（1）根据《建筑物防雷设计规范》GB5007-2010第4部分4.3.8条第4款，以及《低压配电系统的电涌保护器（SPD）第1部分性能要求和试验方法》中Ⅰ级试验、Ⅱ级试验的SPD推荐使用范围，笔者认为高架站、地面车辆段及停车场的低压配电系统SPD第一级防雷在0.4kV低压配电柜母线上应配置Ⅰ级试验的限压型SPD，，即试验波形为10/350μs的SPD。
（2）根据《建筑物防雷设计规范》GB5007-2010第4部分4.3.8条第4款、第6部分6.4条关于设备耐冲击电压的要求，以及《低压配电系统的电涌保护器（SPD）第1部分性能要求和试验方法》中5.4电压保护水平（Up）优选值，结合电压保护水平（Up）值应小于设备耐冲击电压值并宜留有一定（20%）的余量，笔者认为高架站、地面车辆段及停车场0.4KV低压配电柜母线上应配置的SPD的电压保护水平值Up≤2.5kV，考虑与下级配和，取Up=2.5kV。
（3）根据《建筑物防雷设计规范》GB5007-2010第4部分4.3.8条第4款，以及《低压配电系统的电涌保护器（SPD）第1部分性能要求和试验方法》中第5.2条中Ⅰ级试验的冲击电流（Iimp）优选值，SPD的每一保护模式的冲击电流（Iimp）应大于或等于12.5kA，考虑该类建筑为二类防雷、雷电流幅值（150kA）、电缆非屏蔽因素、轨道交通供电系统操作过电压、系统瞬变等的影响以及与下级的配和，笔者认为高架站、地面车辆段及停车场0.4kV低压配电柜母线上配置的SPD每一保护模式的冲击电流，可取Iimp=25kA。
3.1.2 地下站
地下车站降压变电所均设置在地下负一、负二层或更深位置，35kV电源进出线及0.4kV进出线基本采用电缆，电缆或带屏蔽层或沿地铁隧道穿管敷设，且35KV进线侧已设置避雷器，低压配电系统（低压柜、进出线电缆、低压配电箱、重要弱电设备自带电源箱等）均在地下，无配电线路引出地下，因此，低压配电系统基本不会受到直击雷的冲击，地下站低压配电系统防雷保护以防感应雷的侵入以及操作过电压等的袭扰为主。
（1）根据《建筑物防雷设计规范》GB5007-2013第4部分4.3.8条第5款，以及《低压配电系统的电涌保护器（SPD）第1部分性能要求和试验方法》中Ⅰ级试验、Ⅱ级试验的SPD推荐使用范围，笔者认为地下站低压配电系统第一级防雷SPD在0.4kV低压配电柜母线上应配置Ⅱ级试验的限压型SPD，即试验波形为8/20μs电流波的SPD。
（2）参见3.1.1.2的分析，笔者认为地下站0.4kV低压配电柜母线上SPD的电压保护水平Up≤2.5kV，考虑与下级配合，取Up=2.5 kV。
（3）根据《建筑物防雷设计规范》GB5007-2010第4部分4.3.8条第5款，以及《低压配电系统的电涌保护器（SPD）第1部分性能要求和试验方法》中5.2Ⅱ级试验的标称放电电流（In）优选值，SPD电涌保护器的每一保护模式的标称放电电流（In）应大于或等于5 kA，考虑感应雷、轨道交通供电系统操作过电压、系统瞬变等的影响，笔者认为地下站0.4kV低压配电柜母线上SPD的每一保护模式的冲击电流，可取In≥60kA。
3.2低压配电系统第二级防雷
3.2.1 高架站、地面车辆段及停车场
参见3.1.1的分析，根据《建筑物防雷设计规范》GB5007-2010第6部分6.4条中关于设备耐冲击电压的要求，笔者认为高架站、地面车辆段及停车场的低压配电系统第二级防雷，即一级低压配电箱中SPD应配置Ⅰ级试验（10/350μs电流波形）的限压型SPD，SPD的电压保护水平值Up≤1.8kV；SPD的每一保护模式的冲击电流Iimp≥12.5kA，由于第二级电涌保护器是针对前级保护器的残余电压以及区内感应雷击的防护设备，对前级吸收后的剩余能量进一步实施泄放，考虑上下级配合可取Up=1.5 kV，Iimp=20kA。
3.2.2 地下站
参见3.1.2及3.1.2 SPD的电压保护水平值Up的分析，根据《建筑物防雷设计规范》GB5007-2010第6部分6.4条关于设备耐冲击电压的要求以及SPD级间配合，笔者认为地下站低压配电系统二级防雷SPD，即一级低压配电箱应配置Ⅱ级试验（8/20μs电流波形）的限压型SPD，SPD的电压保护水平值可取Up=1.5 kV，SPD电涌保护器的每一保护模式的标称放电电流，可取In =40kA。
3.3低压配电系统第三级防雷
3.3.1 高架站、地面车辆段及停车场
参见3.1.1的分析，根据《建筑物防雷设计规范》GB5007-2010第6部分6.4条关于设备耐冲击电压的要求，以及与上级SPD配合关系，笔者认为高架站、地面车辆段及停车场的低压配电系统三级防雷SPD，即就地保护的重要弱电设备电源箱应配置Ⅰ级试验的限压型SPD，即试验波形为10/350μs的电涌保护器；SPD电涌保护器的电压保护水平值Up≤1.2kV，由于第三级电涌保护器是针对第二级保护器的残余电压以及区内感应雷击的防护设备，对前级吸收后的剩余能量进一步实施泄放，考虑级配可取Up =1.2 kV，Iimp=15kA。
3.3.2 地下站
参见3.1.2的分析，根据《建筑物防雷设计规范》GB5007-2010第6部分6.4条关于设备耐冲击电压的要求，以及与上级SPD配合关系，笔者认为地下站低压配电系统三级防雷SPD，即就地保护的重要弱电设备电源箱应配置Ⅱ级试验（8/20μs电流波形）的限压型SPD，SPD电涌保护器的电压保护水平值，可取Up=1.2 kV，SPD电涌保护器的每一保护模式的标称放电电流，可取In =20kA。
4 小结
完善的雷电防护设计，是城市轨道交通设计的重点，也是地铁运营安全的保障。SPD是城市轨道交通雷电防护的重要组成部分，只有正确掌握SPD的选择方法，才能设计出经济实效的低压系统防雷保护方案，充分发挥SPD的作用，实现对城市轨道交通内电气设备的有效保护。本文结合深圳地铁低压配电系统防雷设计中SPD选型实践，探讨城市轨道交通中SPD冲击试验雷电波型、试验类型（Ⅰ级试验、Ⅱ级试验）、保护电压水平（Up）、标称放电电流（In）或冲击电流（ Iimp）等参数选取，为城市轨道交通防雷设计中SPD的选择提供参考。
参考文献：
[1] GB 50057-2010建筑物防雷设计规范[S].北京：中国建设出版社，2008.
[2] GB 18802.1-2011低压配电系统的电涌保护器（SPD）第1部分性能要求和试验方法[S].北京：中国标准出版社，2011.
[3] GB 50157-2013地铁设计规范[S].北京：
论文作者:杨国新
论文发表刊物:《北方建筑》2016年12月第36期
论文发表时间:2017/3/31
标签：雷电论文; 防雷论文; 系统论文; 轨道交通论文; 保护器论文; 低压配电论文; 电压论文; 《北方建筑》2016年12月第36期论文;