鐵路貨車超偏載檢測裝置綜合防雷系統(tǒng)的研制

黎在容

（廣州鐵路(集團(tuán))公司 貨運(yùn)處，廣東 廣州 510088）

鐵路貨車超偏載檢測裝置是監(jiān)控鐵路貨車超偏載、防止行車事故發(fā)生的重要安全設(shè)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(yīng)用，并建成了全路聯(lián)網(wǎng)的貨運(yùn)計(jì)量安全檢測監(jiān)控系統(tǒng)。然而，由于超偏載檢測裝置是集機(jī)械、電子、通信、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)和自動控制技術(shù)為一體的新型安全監(jiān)控和計(jì)量檢測設(shè)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(jì)量檢測系統(tǒng)整體癱瘓。處于強(qiáng)雷區(qū)的超偏載檢測裝置，一次雷擊造成的直接經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)幾萬到幾十萬，雷擊不僅破壞設(shè)備，而且使系統(tǒng)工作停頓，無法及時檢測車輛和發(fā)現(xiàn)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(qiáng)其對環(huán)境的適應(yīng)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(tǒng)研制背景

目前，生產(chǎn)超偏載檢測裝置的廠家對設(shè)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(jìn)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(hù)，不能對數(shù)據(jù)采集儀、傳感器等重要儀器起到安全有效的保護(hù)。以廣州鐵路 (集團(tuán) )公司 (以下簡稱廣鐵集團(tuán))江村站的3臺超偏載檢測裝置為例，3 臺設(shè)備均位于廣州市白云區(qū)江高鎮(zhèn)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(qū)年平均雷暴天數(shù)達(dá) 90 多天，為易遭雷擊的多雷區(qū)。每年4月—8月是雷雨天氣高發(fā)期，雷雨期內(nèi)幾乎每 2～3 天就會有設(shè)備遭到雷擊損壞，設(shè)備在未安裝綜合防雷系統(tǒng)前，3 臺設(shè)備每年因雷擊損壞的傳感器個數(shù)在 15 個以上，損壞數(shù)據(jù)采集儀 150 多次，直接造成經(jīng)濟(jì)損失超過 20 萬元。這不僅造成經(jīng)濟(jì)上的損失，也增加了設(shè)備維修的強(qiáng)度和難度，使超偏載檢測裝置的安全監(jiān)控作用無法正常發(fā)揮。因此，研制有效的超偏載檢測裝置防雷系統(tǒng)已成為極其迫切的工作。

為此，廣鐵集團(tuán)貨運(yùn)處、中心計(jì)量所、電務(wù)處聯(lián)合有關(guān)研究部門，以江村站上行系統(tǒng)的超偏載檢測裝置為試驗(yàn)點(diǎn)，研制鐵路貨車超偏載檢測裝置綜合防雷系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

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(jìn)行詳細(xì)觀察和統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)幾乎每次雷擊都會造成設(shè)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(shù)據(jù)采集儀或工控機(jī)等。雷擊除了直接損壞設(shè)備外，還容易形成不易被維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)的隱性故障，給設(shè)備的日常維護(hù)帶來困難。在雷暴天氣高發(fā)期，超偏載檢測裝置經(jīng)常由于雷擊而出現(xiàn)故障，影響設(shè)備正常運(yùn)行。

2.2 超偏載檢測裝置的既有防雷措施

現(xiàn)有的超偏載檢測裝置防雷措施是設(shè)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(shè)備外殼進(jìn)行簡單接地。這樣不能對設(shè)備進(jìn)行有效而全面的防護(hù)，不能防護(hù)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(hù)。

2.3 超偏載檢測裝置綜合防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)因素

根據(jù)超偏載檢測裝置的工作原理及遭雷擊的情況，在防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，重點(diǎn)考慮以下因素。

（1）防雷系統(tǒng)應(yīng)能抵抗一般的電磁脈沖干擾，防護(hù)直擊雷對設(shè)備的大面積破壞；

（2）防雷系統(tǒng)應(yīng)能對超偏載檢測裝置進(jìn)行全面的防護(hù)，包括對主要部件如傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和工控機(jī)的防護(hù)；

（3）防雷系統(tǒng)對信號的衰減不能影響超偏載檢測裝置的信號傳輸和計(jì)量檢測精度；

（4）防雷系統(tǒng)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(tǒng)方案設(shè)計(jì)

通過對有關(guān)防雷技術(shù)條件的分析比較和對超偏載檢測裝置的測試，設(shè)計(jì)了超偏載裝置的綜合防雷系統(tǒng)方案。

（1）設(shè)備建筑物。構(gòu)建對雷電的攔截和泄放系統(tǒng)，由房頂避雷帶及避雷網(wǎng)格、引下線和接地網(wǎng)組成，避免建筑物出現(xiàn)物理破壞。

（2）設(shè)備機(jī)房。構(gòu)建機(jī)房屏蔽層，從機(jī)房房頂、墻壁到接地網(wǎng)整體組成一個防護(hù)性能較好的法拉第電磁籠，將機(jī)房內(nèi)與外界屏蔽。

（3）接地網(wǎng)和接地連接。構(gòu)建環(huán)形接地網(wǎng)，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(tǒng)設(shè)備的影響。

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

（5）系統(tǒng)信號設(shè)備。采用三級防護(hù)。第一級為傳感器防護(hù)，對剪力傳感器和壓力傳感器進(jìn)行防護(hù)；第二級為室外線箱防護(hù)，將防雷器并聯(lián)于室外線箱接線板端子上；第三級為室內(nèi)數(shù)據(jù)采集儀防護(hù)，將防雷器并聯(lián)于數(shù)據(jù)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(tǒng)防雷原理及技術(shù)方法

按照“系統(tǒng)、全面、分級、分設(shè)備”防護(hù)的原則，根據(jù)超偏載檢測裝置雷電防護(hù)的特殊性，以及超偏載檢測裝置所處的地理環(huán)境等相關(guān)因素，提出適用于超偏載檢測裝置系統(tǒng)防雷工程的設(shè)計(jì)理念。

3.1 設(shè)計(jì)原則

3.1.1 系統(tǒng)防雷，綜合防護(hù)

將超偏載檢測裝置所有的信號設(shè)備看成一個整體系統(tǒng)，根據(jù)電磁兼容的原理，將局部、單一的防范措施提升到系統(tǒng)防護(hù)、整體防護(hù)高度，使各級防雷器件互相協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)多級配合、層層泄流，使信號設(shè)備系統(tǒng)得到有效保護(hù)。

3.1.2 分級、分設(shè)備防護(hù)

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

3.1.3 綜合措施防護(hù)

微電子設(shè)備是以大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)，其采用的固體元件對于雷電電涌更為敏感。從現(xiàn)場實(shí)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(jìn)入接地裝置引起地電位升高而產(chǎn)生的反擊。信號設(shè)備防雷主要是防雷電的電磁脈沖影響，因此要充分運(yùn)用“改善電磁兼容環(huán)境條件，包含屏蔽、等電位設(shè)置及合理布線”等技術(shù)措施和方法，實(shí)現(xiàn)全方位綜合防護(hù)。

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(tǒng)采用接地體 (含永久性接地體) 做成綜合地網(wǎng)，綜合地網(wǎng)的接地電阻在4歐姆以下 (具備有利條件的應(yīng)在1歐姆以下)。同時，采用永久性接地體和嚴(yán)格的工藝技術(shù)措施，以保證綜合地網(wǎng)的接地電阻值能長期穩(wěn)定地保持在低阻值范圍內(nèi)。

3.1.5 故障導(dǎo)向安全

系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循故障——安全原則，選用符合鐵路現(xiàn)行雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的防雷保安器。防雷保安器的接入不影響設(shè)備正常工作，當(dāng)防雷保安器故障時能迅速脫離被保護(hù)的電路。

3.2 系統(tǒng)防雷技術(shù)方法

參照國內(nèi)外現(xiàn)行的防雷有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，按照超偏載檢測裝置的防雷原則，采用綜合的三級防護(hù)和二次防護(hù)及屏蔽和接地網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，以全面防護(hù)雷電和電磁脈沖的干擾。

為了能更全面地保護(hù)超偏載檢測裝置設(shè)備，采取三級防護(hù)和二次防護(hù)的方法。一級防護(hù)為秤臺上剪力傳感器的保護(hù)，采用等電位保護(hù)器與傳感器的屏蔽層連接，既能有效釋放由鋼軌傳導(dǎo)過來的雷電，保護(hù)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(hù)為傳感器接線盒的電氣連接防護(hù)，信號防雷器連接在傳感器線和信號線之間，在有效保護(hù)傳感器的同時對信號的衰減極??；三級防護(hù)是將信號防雷器安裝在室內(nèi)信號線與采集儀線路之間，以保護(hù)數(shù)據(jù)采集儀不因過電流而燒壞。二次防護(hù)采用電源防雷箱和電源防雷器對進(jìn)入室內(nèi)的單相交流電源進(jìn)行泄流、限壓防護(hù)，避免外來電力干擾對室內(nèi)造成影響。

在屏蔽層和接地網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，在設(shè)備機(jī)房房頂架設(shè)避雷帶，并合理設(shè)置引下線與環(huán)型綜合地網(wǎng)連接，構(gòu)成一個可有效削減電磁干擾的法拉第籠。室內(nèi)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(tǒng)如圖 2、圖3所示。

圖2 超偏載檢測裝置綜合防雷系統(tǒng)主觀示意圖

4 系統(tǒng)的主要特點(diǎn)和使用效果

超偏載檢測裝置綜合防雷系統(tǒng)與既有的超偏載檢測裝置采取局部范圍、單一元件進(jìn)行防護(hù)的措施相比，綜合的三級防護(hù)和二次防護(hù)及屏蔽、接地網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，把所有的信號設(shè)備看成一個整體系統(tǒng)，將局部、單一的防范措施提升到系統(tǒng)防護(hù)、整體防護(hù)高度，使各級防雷器件互相協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)多級配合、層層泄流、提高效率，更能全面防護(hù)雷電和電磁脈沖的干擾，具有穩(wěn)定和全面保護(hù)相結(jié)合的特點(diǎn)。

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

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

（3）減少設(shè)備隱性故障，方便維護(hù)。超偏載檢測裝置屬微機(jī)弱電信號系統(tǒng)，容易受雷電和電磁脈沖的干擾，出現(xiàn)難以發(fā)現(xiàn)的隱性故障，給維護(hù)人員帶來許多困難，嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運(yùn)行。安裝的綜合防雷系統(tǒng)在實(shí)踐中證明能有效地防護(hù)雷電和電磁脈沖的干擾，保證超偏載裝置的正常運(yùn)行，極大地減少了維護(hù)工作。安裝防雷系統(tǒng)前4年，設(shè)備維護(hù)不少于200 次，安裝防雷系統(tǒng)后4年僅維護(hù)了 50 次。

表1 江村站上行超偏載檢測裝置雷擊情況統(tǒng)計(jì)

（4）保證了超偏載檢測裝置運(yùn)用質(zhì)量。在設(shè)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(jiān)控，充分發(fā)揮了設(shè)備保安全的作用，保證了鐵路運(yùn)輸安全。