鐵路貨車超偏載檢測裝置綜合防雷系統的研制

黎在容

（廣州鐵路(集團)公司 貨運處，廣東 廣州 510088）

鐵路貨車超偏載檢測裝置是監控鐵路貨車超偏載、防止行車事故發生的重要安全設備。隨著列車速度不斷提高和行車密度不斷加大，超偏載檢測裝置已在各鐵路局得到廣泛應用，并建成了全路聯網的貨運計量安全檢測監控系統。然而，由于超偏載檢測裝置是集機械、電子、通信、網絡、計算機和自動控制技術為一體的新型安全監控和計量檢測設備，使用了大量的微電子器件，且其秤臺部分大多安裝在戶外，極易因雷擊而損壞，甚至造成計量檢測系統整體癱瘓。處于強雷區的超偏載檢測裝置，一次雷擊造成的直接經濟損失可達幾萬到幾十萬，雷擊不僅破壞設備，而且使系統工作停頓，無法及時檢測車輛和發現行車安全隱患，由此造成的間接損失更是無法估量。因此，提高超偏載檢測裝置的防雷性能、增強其對環境的適應性具有重要意義。

1 鐵路貨車超偏載檢測裝置綜合防雷系統研制背景

目前，生產超偏載檢測裝置的廠家對設備采取的防雷措施主要是在供電電源中安裝隔離電源并對主要儀器外殼進行簡單接地。這些方法雖然能起到一些作用，但是過于簡單，缺乏全面的防護，不能對數據采集儀、傳感器等重要儀器起到安全有效的保護。以廣州鐵路 (集團 )公司 (以下簡稱廣鐵集團)江村站的3臺超偏載檢測裝置為例，3 臺設備均位于廣州市白云區江高鎮的京廣線路基之上，高出地面約 10 m，周圍空曠，無其他高層建筑，并且附近有多處池塘。該地區年平均雷暴天數達 90 多天，為易遭雷擊的多雷區。每年4月—8月是雷雨天氣高發期，雷雨期內幾乎每 2～3 天就會有設備遭到雷擊損壞，設備在未安裝綜合防雷系統前，3 臺設備每年因雷擊損壞的傳感器個數在 15 個以上，損壞數據采集儀 150 多次，直接造成經濟損失超過 20 萬元。這不僅造成經濟上的損失，也增加了設備維修的強度和難度，使超偏載檢測裝置的安全監控作用無法正常發揮。因此，研制有效的超偏載檢測裝置防雷系統已成為極其迫切的工作。

為此，廣鐵集團貨運處、中心計量所、電務處聯合有關研究部門，以江村站上行系統的超偏載檢測裝置為試驗點，研制鐵路貨車超偏載檢測裝置綜合防雷系統。

2 系統方案設計

2.1 超偏載檢測裝置遭雷擊的情況

通過對超偏載檢測裝置每次遭雷擊的情況進行詳細觀察和統計分析，發現幾乎每次雷擊都會造成設備的損壞，程度低的損失部分芯片或傳輸MODEM，程度高的則會燒壞傳感器、數據采集儀或工控機等。雷擊除了直接損壞設備外，還容易形成不易被維護人員發現的隱性故障，給設備的日常維護帶來困難。在雷暴天氣高發期，超偏載檢測裝置經常由于雷擊而出現故障，影響設備正常運行。

2.2 超偏載檢測裝置的既有防雷措施

現有的超偏載檢測裝置防雷措施是設備廠家在安裝超偏載檢測裝置時安裝的，主要是在供電電源中安裝隔離電源并對主要的設備外殼進行簡單接地。這樣不能對設備進行有效而全面的防護，不能防護大的雷電電流和直擊雷，甚至連一些小的電磁脈沖都無法防護。

2.3 超偏載檢測裝置綜合防雷系統設計因素

根據超偏載檢測裝置的工作原理及遭雷擊的情況，在防雷系統設計時，重點考慮以下因素。

（1）防雷系統應能抵抗一般的電磁脈沖干擾，防護直擊雷對設備的大面積破壞；

（2）防雷系統應能對超偏載檢測裝置進行全面的防護，包括對主要部件如傳感器、數據采集儀和工控機的防護；

（3）防雷系統對信號的衰減不能影響超偏載檢測裝置的信號傳輸和計量檢測精度；

（4）防雷系統不能影響軌道電路信號。

2.4 超偏載檢測裝置綜合防雷系統方案設計

通過對有關防雷技術條件的分析比較和對超偏載檢測裝置的測試，設計了超偏載裝置的綜合防雷系統方案。

（1）設備建筑物。構建對雷電的攔截和泄放系統，由房頂避雷帶及避雷網格、引下線和接地網組成，避免建筑物出現物理破壞。

（2）設備機房。構建機房屏蔽層，從機房房頂、墻壁到接地網整體組成一個防護性能較好的法拉第電磁籠，將機房內與外界屏蔽。

（3）接地網和接地連接。構建環形接地網，分別引出安全接地、防雷接地和屏蔽接地，保證電氣安全、雷電流的快速泄放和屏蔽效果，減少和避免電氣化干擾對系統設備的影響。

（4）電源。對室外進入室內供超偏載檢測裝置使用的電源采用二次防護，在設備機房進線處安裝電源防雷箱，在設備電源前端安裝電源防雷器。

（5）系統信號設備。采用三級防護。第一級為傳感器防護，對剪力傳感器和壓力傳感器進行防護；第二級為室外線箱防護，將防雷器并聯于室外線箱接線板端子上；第三級為室內數據采集儀防護，將防雷器并聯于數據采集儀前端。超偏載檢測裝置綜合防雷方案如圖1所示。

圖1 超偏載檢測裝置綜合防雷方案示意圖

3 系統防雷原理及技術方法

按照“系統、全面、分級、分設備”防護的原則，根據超偏載檢測裝置雷電防護的特殊性，以及超偏載檢測裝置所處的地理環境等相關因素，提出適用于超偏載檢測裝置系統防雷工程的設計理念。

3.1 設計原則

3.1.1 系統防雷，綜合防護

將超偏載檢測裝置所有的信號設備看成一個整體系統，根據電磁兼容的原理，將局部、單一的防范措施提升到系統防護、整體防護高度，使各級防雷器件互相協調工作，實現多級配合、層層泄流，使信號設備系統得到有效保護。

3.1.2 分級、分設備防護

分級是對同一個通道的設備從室外到室內最后到具體設備的終端，分成多級防護。分設備是根據不同的設備，選擇不同規格和不同等級的防雷保安器，保證使各個區域分界處的雷電沖擊能量依次遞減，最終保證設備所受到的沖擊低于其承受水平，達到雷電防護，使系統得到保護的目的。

3.1.3 綜合措施防護

微電子設備是以大規模集成電路為基礎，其采用的固體元件對于雷電電涌更為敏感。從現場實際情況分析，絕大部分雷害都是由雷電的電磁脈沖引起，還有雷電流進入接地裝置引起地電位升高而產生的反擊。信號設備防雷主要是防雷電的電磁脈沖影響，因此要充分運用“改善電磁兼容環境條件，包含屏蔽、等電位設置及合理布線”等技術措施和方法，實現全方位綜合防護。

3.1.4 良好的接地措施

良好的接地是保證雷電流能迅速、有效地泄放入大地的基本措施和前提條件。系統采用接地體 (含永久性接地體) 做成綜合地網，綜合地網的接地電阻在4歐姆以下 (具備有利條件的應在1歐姆以下)。同時，采用永久性接地體和嚴格的工藝技術措施，以保證綜合地網的接地電阻值能長期穩定地保持在低阻值范圍內。

3.1.5 故障導向安全

系統設計遵循故障——安全原則，選用符合鐵路現行雷電防護標準的防雷保安器。防雷保安器的接入不影響設備正常工作，當防雷保安器故障時能迅速脫離被保護的電路。

3.2 系統防雷技術方法

參照國內外現行的防雷有關標準和規范，按照超偏載檢測裝置的防雷原則，采用綜合的三級防護和二次防護及屏蔽和接地網絡的建設，以全面防護雷電和電磁脈沖的干擾。

為了能更全面地保護超偏載檢測裝置設備，采取三級防護和二次防護的方法。一級防護為秤臺上剪力傳感器的保護，采用等電位保護器與傳感器的屏蔽層連接，既能有效釋放由鋼軌傳導過來的雷電，保護傳感器不因電流過高而燒壞，同時又能避免軌道電路信號對傳感器電路的干擾；二級防護為傳感器接線盒的電氣連接防護，信號防雷器連接在傳感器線和信號線之間，在有效保護傳感器的同時對信號的衰減極小；三級防護是將信號防雷器安裝在室內信號線與采集儀線路之間，以保護數據采集儀不因過電流而燒壞。二次防護采用電源防雷箱和電源防雷器對進入室內的單相交流電源進行泄流、限壓防護，避免外來電力干擾對室內造成影響。

在屏蔽層和接地網絡建設方面，在設備機房房頂架設避雷帶，并合理設置引下線與環型綜合地網連接，構成一個可有效削減電磁干擾的法拉第籠。室內屏蔽層則采用鋁扣板作為電磁屏蔽材料，并做到可靠接地。

超偏載檢測裝置綜合防雷系統如圖 2、圖3所示。

圖2 超偏載檢測裝置綜合防雷系統主觀示意圖

4 系統的主要特點和使用效果

超偏載檢測裝置綜合防雷系統與既有的超偏載檢測裝置采取局部范圍、單一元件進行防護的措施相比，綜合的三級防護和二次防護及屏蔽、接地網絡的建設，把所有的信號設備看成一個整體系統，將局部、單一的防范措施提升到系統防護、整體防護高度，使各級防雷器件互相協調工作，實現多級配合、層層泄流、提高效率，更能全面防護雷電和電磁脈沖的干擾，具有穩定和全面保護相結合的特點。

超偏載檢測裝置綜合防雷系統自 2006 年8月投入使用以來，系統狀態良好，對超偏載檢測裝置起到良好的防護作用。主要體現在以下方面(以江村站上行超偏載檢測裝置安裝防雷系統前后4年同期進行比較)。

（1）超偏載檢測裝置綜合防雷系統對超偏載檢測裝置的信號無影響，符合各方面的要求；

（2）安裝超偏載檢測裝置綜合防雷系統后，減少了設備的損壞，降低了維修成本。安裝綜合防雷系統前后設備受雷擊損壞情況對比如表1所示。

（3）減少設備隱性故障，方便維護。超偏載檢測裝置屬微機弱電信號系統，容易受雷電和電磁脈沖的干擾，出現難以發現的隱性故障，給維護人員帶來許多困難，嚴重影響設備的正常運行。安裝的綜合防雷系統在實踐中證明能有效地防護雷電和電磁脈沖的干擾，保證超偏載裝置的正常運行，極大地減少了維護工作。安裝防雷系統前4年，設備維護不少于200 次，安裝防雷系統后4年僅維護了 50 次。

表1 江村站上行超偏載檢測裝置雷擊情況統計

（4）保證了超偏載檢測裝置運用質量。在設備故障率低的保障下，確保了超偏載檢測裝置對貨車超偏載情況的有效監控，充分發揮了設備保安全的作用，保證了鐵路運輸安全。