铁路和运输电涌保护装置和电压限制装置的解决方案
为什么要保护？
铁路系统的保护：火车，地铁，电车
总体而言，无论是地下，地面还是有轨电车，铁路运输都非常重视交通的安全性和可靠性，尤其是对人员的无条件保护。 因此，所有敏感，复杂的电子设备（例如控制，信号或信息系统）都需要高度的可靠性，才能满足安全操作和保护人员的需求。 出于经济原因，这些系统在所有可能受到过电压影响的情况下都没有足够的绝缘强度，因此，最佳的电涌保护必须适应铁路运输的特定要求。 铁路上的电气和电子系统的复杂电涌保护的成本仅是受保护技术总成本的一小部分，并且由于设备故障或损坏而可能造成的间接损失也仅需少量投资。 损坏可能是由于雷击电压在直接或间接雷击，开关操作，故障或铁路设备金属部件上感应的高压引起的。
最佳电涌保护设计的主要原理是SPD的复杂性和协调性以及通过直接或间接连接进行的等电位连接。 通过在设备和系统的所有输入和输出上安装电涌保护设备来确保复杂性，以保护所有电源线，信号和通信接口。 通过以正确的顺序连续安装具有不同保护效果的SPD，可以确保保护的协调，从而将浪涌电压脉冲逐渐限制到受保护设备的安全水平。 限压装置也是电气化轨道全面保护的重要组成部分。 它们通过在导电部件与牵引系统的回路之间建立临时或永久连接来防止铁路设备的金属部件上出现不允许的高接触电压。 通过此功能，它们主要保护可以与这些裸露的导电部件接触的人员。
什么以及如何保护？
火车站和铁路的电涌保护器（SPD）
电源线AC 230/400 V
火车站主要用于为旅客的到达和离开而停止火车。 在此场所中，不仅有重要的铁路运输信息，管理，控制和安全系统，而且还有各种设施，例如候车室，饭店，商店等，这些设施都连接到公共电源网络，并且由于它们的电气距离很近可能会受到牵引电源电路故障的威胁。 为了维持这些设备的无故障运行，必须在交流电源线上安装三级电涌保护。 推荐的LSP电涌保护器配置如下：
- 主配电板（变电站，电源线输入）– SPD类型1，例如 FLP50，或类型为1 + 2的雷电避雷器和电涌放电器的组合，例如 FLP12,5.
- 子配电板–二级保护，SPD Type 2，例如 SLP40-275.
- 技术/设备–三级保护，SPD类型3，
–如果受保护的设备直接位于配电盘中或附近，则建议使用SPD Type 3将其安装在35 mm的DIN导轨上，例如 SLP20-275.
–如果直接插座电路保护可以连接IT设备（如复印机，计算机等），则适合将SPD附加安装到插座盒中，例如 FLD.
–当前大多数测量和控制技术均由微处理器和计算机控制。 因此，除了过压保护外，还必须消除可能干扰正常操作的射频干扰的影响，例如通过“冻结”处理器，覆盖数据或存储器。 对于这些应用，LSP建议使用FLD。 根据所需的负载电流，也可以使用其他变型。
除拥有自己的铁路建筑外，整个基础设施的另一个重要组成部分是铁路轨道，具有广泛的控制，监视和信号系统（例如信号灯，电子联锁，道口护栏，车轮计数器等）。 就确保无故障运行而言，它们免受浪涌电压影响的保护非常重要。
- 为了保护这些设备，适合将SPD类型1安装到电源支柱中，或者甚至安装FLP12,5，SPD类型1 + 2范围内的更好产品，由于保护级别较低，因此可以更好地保护设备。
对于直接连接到导轨或靠近导轨的铁路设备（例如，货车计数设备），必须使用限压设备FLD来补偿设备在导轨和保护性接地之间可能存在的电位差。 它设计用于轻松安装35毫米的DIN导轨。
通信技术
铁路运输系统的重要组成部分还包括所有通信技术及其适当的保护。 在经典的金属电缆或无线网络上可以有各种数字和模拟通信线路。 为了保护连接到这些电路的设备，可以使用例如以下LSP电涌放电器：
- 具有ADSL或VDSL2的电话线–例如，在建筑物入口处并靠近受保护设备的RJ11S-TELE。
- 以太网络–与PoE相结合的数据网络和线路的通用保护，例如DT-CAT-6AEA。
- 用于无线通信的同轴天线线–例如，DS-N-FM
控制和数据信号线
当然，还必须保护铁路基础设施中的测量和控制设备的线路不受浪涌和过电压的影响，以保持最大的可靠性和可操作性。 LSP保护在数据和信号网络中的应用示例可以是：
- 保护铁路设备的信号线和测量线–电涌放电器ST 1 + 2 + 3，例如FLD。
什么以及如何保护？
火车站和铁路的限压装置（VLD）
在铁路正常运行期间，由于回路中的电压降或与故障状况相关，在回路和接地电位之间的可触及部分或接地的裸露导电部分（极）上可能会出现不允许的高接触电压，扶手和其他设备）。 在火车站或铁道等容易接近的地方，有必要通过安装限压装置（VLD）将电压限制在安全值范围内。 它们的功能是在超出允许的接触电压值的情况下，建立裸露的导电部件与回路的瞬态或永久连接。 在选择VLD时，必须考虑是否需要VLD-F，VLD-O或同时具有这两个功能，如EN 50122-1中所定义。 架空线或牵引线的裸露导电部分通常直接连接到回路或通过VLD-F型设备连接到回路。 因此，VLD-F型限压装置用于故障情况下的保护，例如电牵引系统的导电部分裸露时发生短路。 VLD-O类型的设备用于正常运行，即，它们会限制火车运行过程中由铁轨电势引起的触摸电压升高。 限压设备的功能不是针对雷电和开关浪涌的保护。 此保护由电涌保护器（SPD）提供。 随着新版标准EN 50526-2对VLD的要求发生了相当大的变化，并且现在对它们的技术要求也越来越高。 根据该标准，VLD-F电压限制器分为1类，VLD-O类型分为2.1类和2.2类。
LSP保护铁路基础设施
避免系统停机和铁路基础设施中断
铁路技术的平稳运行取决于各种高度敏感的电气和电子系统的正常运行。 但是，这些系统的永久可用性受到雷击和电磁干扰的威胁。 通常，损坏的导体，互锁的组件，模块或计算机系统是中断和费时的故障排除的根本原因。 反过来，这意味着火车晚点和高成本。
通过根据您的特殊要求量身定制的全面防雷和浪涌保护概念，减少代价高昂的中断并最大程度地减少系统停机时间。
破坏和损坏的原因
这些是导致电力铁路系统中断，系统停机和损坏的最常见原因：
- 直接雷击
高架接触线，轨道或桅杆上的雷击通常会导致中断或系统故障。
- 间接雷击
雷击附近的建筑物或地面。 然后通过电缆或感应感应分布过电压，从而损坏或破坏未受保护的电子组件。
- 电磁干扰场
当不同的系统由于彼此接近而相互影响时，可能会发生过电压，例如，高速公路上的照明标志系统，高压传输线和铁路的高架接触线。
- 铁路系统内部的事件
开关操作和触发保险丝是一个额外的风险因素，因为它们也会产生电涌并造成损坏。
在铁路运输中，通常应特别注意安全和操作无干扰，以及对人员的无条件保护。 由于上述原因，用于铁路运输的设备必须具有高水平的可靠性，这与安全操作的必要性相对应。 通过使用LSP制造的雷击电流避雷器和电涌保护设备，可以将由于意外的高电压而引起的故障发生的可能性降到最低。
保护230/400 V交流电源
为了确保铁路运输系统的无故障运行，建议将所有三级SPD安装到电源线中。 第一保护级由FLP系列电涌保护器组成，第二保护级由SLP SPD构成，第三保护级安装在离被保护设备尽可能近的位置，第三保护级由带有HF干扰抑制滤波器的TLP系列代表。
通信设备和控制电路
根据使用的通信技术，通信通道受FLD类型系列的SPD保护。 控制电路和数据网络的保护可以基于FRD雷击电流避雷器。
防雷：驾驶火车
当我们认为雷电保护与工业和灾难有关时，我们会想到明显的雷电。 石油，天然气，通讯，发电，公用事业等。但是，我们当中很少有人考虑火车，铁路或运输。 为什么不？ 火车和运行火车的操作系统与其他任何事物一样容易遭受雷击，并且对铁路基础设施的雷击结果可能会受到阻碍，有时甚至是灾难性的。 电力是铁路系统运营的重要组成部分，在世界范围内修建铁路需要花费大量的零部件。
受到冲击的火车和铁路系统发生的次数比我们想象的要多。 2011年，华东地区（浙江省温州市）的一列火车被雷击，实际上，由于动力被击中，火车停在了自己的车道上。 一列高速子弹头列车撞上了那辆失去能力的火车。 43人丧生，另外210人受伤。 灾难的总已知损失为15.73万美元。
在英国《 Network Rails》上发表的一篇文章中指出：在英国，“雷击在192年至2010年期间每年平均破坏铁路基础设施2013次，每次罢工导致361分钟的延误。 此外，由于雷电损坏，每年取消58列火车。” 这些事件对经济和商业产生了巨大的影响。
2013年，一名居民在日本的火车上被相机闪电击中。 幸运的是，这次罢工并没有造成任何伤害，但是如果在正确的位置进行了打击，那可能是毁灭性的。 多亏了他们为铁路系统选择了防雷装置。 在日本，他们选择采用经过验证的防雷解决方案来采取积极主动的方法来保护铁路系统，日立公司在实施方面处于领先地位。
雷电一直是铁路运营的头号威胁，尤其是在最近的操作系统中，由于雷电是其次要作用，因此对浪涌或电磁脉冲（EMP）具有敏感信号网络。
以下是日本私铁照明保护的案例研究之一。
筑波快线以其可靠的运行和最少的停机时间而闻名。 他们的计算机操作和控制系统已配备了常规的防雷系统。 但是，在2006年，一场大雷雨破坏了系统，并中断了其运行。 日立被要求咨询损坏并提出解决方案。
该提案包括采用以下规格的耗散阵列系统（DAS）的引入：
自从安装DAS以来，这些特定设施已连续7年没有雷电损坏。 自从2007年至今，每年的成功参考都导致每年在该线路的每个站点上连续安装DAS。 凭借这一成功，日立公司已为其他私营铁路设施（截至目前有7家私营铁路公司）实施了类似的照明保护解决方案。
总而言之，闪电始终是对运营和业务至关重要的设施的威胁，不仅限于上面详述的铁路系统。 任何依赖于平稳运行和最少停机时间的交通系统都需要对设施进行良好的保护，以免受不可预见的天气状况的影响。 通过其防雷解决方案（包括DAS技术），日立非常热衷于为客户做出贡献并确保其业务连续性。
铁路及相关行业的防雷
铁路环境充满挑战，无情。 架空牵引结构实际上形成了一个巨大的闪电天线。 这就需要一种系统思考的方法来保护装在轨道上，安装在轨道上或紧邻轨道的元件免受雷电冲击。 使得更具挑战性的是铁路环境中低功率电子设备的使用迅速增长。 例如，信号装置已从机械互锁演变为基于复杂的电子子元件。 另外，对铁路基础设施的状态监视已经引入了许多电子系统。 因此，在铁路网络的各个方面都迫切需要防雷保护。 与您分享作者在铁路系统照明防护方面的实际经验。
介绍
尽管本文着重介绍铁路环境中的经验，但保护原则也同样适用于相关行业，在这些行业中，设备的安装基座位于机柜的外部，并通过电缆链接到主控制/测量系统。 正是各种系统元素的分布式特性要求更全面的雷电防护方法。
铁路环境
铁路环境主要是高架结构，它形成了巨大的闪电天线。 在农村地区，高架结构是雷电放电的主要目标。 桅杆顶部的接地电缆可确保整个结构处于相同电位。 每三到五根门架都与牵引返回导轨相连（另一根导轨用于发信号）。 在直流牵引区域中，桅杆与大地隔离以防止电解，而在交流牵引区域中，桅杆与大地接触。 复杂的信号和测量系统安装在轨道上或紧邻轨道。 此类设备暴露于通过架空结构拾取的铁轨中的雷电活动。 轨道上的传感器通过电缆连接到路边测量系统，该系统以大地为参考。 这就解释了为什么轨道安装设备不仅会遭受感应电涌，而且还会遭受传导（半直接）电涌。 各种信号装置的功率分配也是通过架空电力线进行的，该电力线同样容易受到直接雷击的影响。 广泛的地下电缆网络将沿轨道旁的钢制设备外壳中的所有各种元素和子系统，定制容器或Rocla混凝土外壳连接在一起。 在充满挑战的环境中，正确设计的防雷系统对于设备的生存至关重要。 设备损坏会导致信号系统无法使用，从而导致运营损失。
各种测量系统和信号元件
采用了多种测量系统来监测货车车队的健康状况以及铁路结构中的不良应力水平。 其中一些系统是：热轴承检测器，热制动检测器，车轮轮廓测量系统，运动/车轮碰撞称重测量，转向架转向架检测器，路边长应力测量，车辆识别系统，地磅。 以下信号元素至关重要，对于有效的信号系统而言，这些信号元素必须可用：跟踪电路，车轴计数器，点检测和电源设备。
保护方式
横向保护表示导体之间的保护。 纵向保护是指导体与地面之间的保护。 三重路径保护将包括在两个导体电路上的纵向和横向保护。 两路径保护仅在两线电路的中性（公共）导体上具有横向保护和纵向保护。
电源线上的防雷保护
降压变压器安装在H型桅杆结构上，并通过高压避雷器堆栈保护到专用的HT接地尖峰。 HT接地电缆和H桅杆结构之间安装了低压钟形火花隙。 H型桅杆已粘接到牵引返回导轨上。 在机房的配电板上，使用1级保护模块安装了三重路径保护。 第二级保护包括串联电感器，该电感器具有到中央系统接地的2类保护模块。 第三级保护通常由电力设备机柜内的定制安装的MOV或瞬态抑制器组成。
通过电池和逆变器提供四个小时的备用电源。 由于逆变器的输出通过电缆馈送到轨道侧设备，因此它也暴露于地下电缆上引起的后端雷电浪涌。 已安装三级路径2级保护来应对这些电涌。
保护设计原则
在为各种测量系统设计保护时要遵循以下原则：
标识所有进入和退出的电缆。
使用三重路径配置。
尽可能创建一条绕过浪涌能量的途径。
保持系统0V和电缆屏蔽层与大地分开。
使用等电位接地。 避免以菊花链方式接地。
不要迎合直接罢工。
车桥计数器保护
为防止雷电浪涌“吸引”到当地的接地尖峰，路旁设备应保持漂浮状态。 然后必须捕获在尾缆和安装在轨道上的计数头中引起的浪涌能量，并将其绕过电子电路（插入）定向到通信电缆，该通信电缆将轨道侧单元连接到机房中的远程计数单元（评估器）。 所有发送，接收和通信电路都通过这种方式“保护”到一个等电位浮动平面上。 然后，电涌能量将通过等电位平面和保护元件从尾部电缆传递到主电缆。 这样可以防止浪涌能量穿过电子电路并对其造成损坏。 这种方法被称为旁路保护，已被证明非常成功，并在必要时经常使用。 在机房中，通信电缆具有三重路径保护功能，可将所有浪涌能量引导至系统接地。
保护导轨安装的测量系统
地磅和其他各种用途都使用了粘贴在导轨上的应变仪。 这些应变仪的闪络电势非常低，这使其很容易受到铁轨中的雷电影响，特别是由于测量系统的接地，例如附近小屋内的接地。 2级保护模块（275V）用于通过单独的电缆将导轨放电到系统接地。 为了进一步防止从导轨上飞越，双绞线屏蔽电缆的屏蔽层在导轨端部切回了。 所有电缆的屏蔽层均未接地，而是通过气体避雷器放电。 这将防止（直接）接地噪声耦合到电缆电路中。 要用作每个定义的屏幕，该屏幕应连接到系统0V。 要完成保护画面，应将系统0V悬空（不接地），而在三路模式下应妥善保护输入电源。
通过计算机接地
在使用计算机执行数据分析和其他功能的所有测量系统中，普遍存在一个问题。 通常，计算机的机箱通过电源线接地，计算机的0V（参考线）也接地。 这种情况通常违反使测量系统保持浮动作为防止外部雷电浪涌的保护措施的原则。 克服此难题的唯一方法是通过隔离变压器为计算机供电，并将计算机框架与安装计算机的系统机柜隔离。 与其他设备的RS232链路将再次产生接地问题，建议使用光纤链路作为解决方案。 关键字是观察整个系统并找到整体解决方案。
低压系统的浮动
安全的做法是使外部电路接地，并参考电源电路并接地。 但是，低电压，低功率设备会受到信号端口上的噪声的影响，并且由于测量电缆上的浪涌能量而导致物理损坏。 解决这些问题的最有效方法是使低功率设备浮动。 该方法遵循并在固态信号系统上实现。 设计一种欧洲起源的特殊系统，以便在插入模块时将其自动接地到机柜。 这样，地球一直延伸到印刷电路板上的接地平面。 低压电容器用于消除大地与系统0V之间的噪声。 来自轨道侧的浪涌通过信号端口进入并突破这些电容器，损坏设备，并经常为内部24V电源留出一条通路，以完全破坏印制电路板。 尽管在所有传入和传出电路上均具有三重路径（130V）保护，但仍需要这样做。 然后，在柜体和系统接地母线之间进行了清晰的分离。 所有防雷保护均参考接地母线。 系统接地垫以及所有外部电缆的铠装在接地母线上终止。 内阁是从地面上浮下来的。 尽管这项工作是在最近的雷电季节即将结束时完成的，但五个站（大约80个安装地点）中的任何一个都未报告雷电损坏，而确实有几场雷暴过了。 下一个闪电季节将证明这种整体系统方法是否成功。
我们的成就
通过不懈的努力和扩展安装改进的防雷方法，与雷电有关的故障已成为一个转折点。
与往常一样，如果您有任何疑问或需要其他信息，请随时通过sales@lsp-international.com与我们联系。
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温州阿瑞斯特电气有限公司（LSP）是AC＆DC SPD的中国独资制造商，业务遍及全球各行各业。
LSP提供以下产品和解决方案：
- 符合IEC 75-1000：61643和EN 11-2011：61643的适用于11Vac至2012Vac低压电力系统的交流电浪涌保护装置（SPD）（类型测试分类：T1，T1 + T2，T2，T3）。
- 符合IEC 500-1500：61643和EN 31-2018：50539 [EN 11-2013：61643]的31Vdc至2019Vdc光电容量的直流电涌保护器（SPD）（类型测试分类：T1 + T2，T2）
- 数据信号线电涌保护器，例如符合IEC 61643-21：2011和EN 61643-21：2012（类型测试类别：T2）的PoE（以太网供电）电涌保护器。
- LED路灯电涌保护器
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