铁路货车超偏载检测装置综合防雷系统的研制

黎在容

（广州铁路(集团)公司 货运处，广东 广州 510088）

铁路货车超偏载检测装置是监控铁路货车超偏载、防止行车事故发生的重要安全设备。随着列车速度不断提高和行车密度不断加大，超偏载检测装置已在各铁路局得到广泛应用，并建成了全路联网的货运计量安全检测监控系统。然而，由于超偏载检测装置是集机械、电子、通信、网络、计算机和自动控制技术为一体的新型安全监控和计量检测设备，使用了大量的微电子器件，且其秤台部分大多安装在户外，极易因雷击而损坏，甚至造成计量检测系统整体瘫痪。处于强雷区的超偏载检测装置，一次雷击造成的直接经济损失可达几万到几十万，雷击不仅破坏设备，而且使系统工作停顿，无法及时检测车辆和发现行车安全隐患，由此造成的间接损失更是无法估量。因此，提高超偏载检测装置的防雷性能、增强其对环境的适应性具有重要意义。

1 铁路货车超偏载检测装置综合防雷系统研制背景

目前，生产超偏载检测装置的厂家对设备采取的防雷措施主要是在供电电源中安装隔离电源并对主要仪器外壳进行简单接地。这些方法虽然能起到一些作用，但是过于简单，缺乏全面的防护，不能对数据采集仪、传感器等重要仪器起到安全有效的保护。以广州铁路 (集团 )公司 (以下简称广铁集团)江村站的3台超偏载检测装置为例，3 台设备均位于广州市白云区江高镇的京广线路基之上，高出地面约 10 m，周围空旷，无其他高层建筑，并且附近有多处池塘。该地区年平均雷暴天数达 90 多天，为易遭雷击的多雷区。每年4月—8月是雷雨天气高发期，雷雨期内几乎每 2～3 天就会有设备遭到雷击损坏，设备在未安装综合防雷系统前，3 台设备每年因雷击损坏的传感器个数在 15 个以上，损坏数据采集仪 150 多次，直接造成经济损失超过 20 万元。这不仅造成经济上的损失，也增加了设备维修的强度和难度，使超偏载检测装置的安全监控作用无法正常发挥。因此，研制有效的超偏载检测装置防雷系统已成为极其迫切的工作。

为此，广铁集团货运处、中心计量所、电务处联合有关研究部门，以江村站上行系统的超偏载检测装置为试验点，研制铁路货车超偏载检测装置综合防雷系统。

2 系统方案设计

2.1 超偏载检测装置遭雷击的情况

通过对超偏载检测装置每次遭雷击的情况进行详细观察和统计分析，发现几乎每次雷击都会造成设备的损坏，程度低的损失部分芯片或传输MODEM，程度高的则会烧坏传感器、数据采集仪或工控机等。雷击除了直接损坏设备外，还容易形成不易被维护人员发现的隐性故障，给设备的日常维护带来困难。在雷暴天气高发期，超偏载检测装置经常由于雷击而出现故障，影响设备正常运行。

2.2 超偏载检测装置的既有防雷措施

现有的超偏载检测装置防雷措施是设备厂家在安装超偏载检测装置时安装的，主要是在供电电源中安装隔离电源并对主要的设备外壳进行简单接地。这样不能对设备进行有效而全面的防护，不能防护大的雷电电流和直击雷，甚至连一些小的电磁脉冲都无法防护。

2.3 超偏载检测装置综合防雷系统设计因素

根据超偏载检测装置的工作原理及遭雷击的情况，在防雷系统设计时，重点考虑以下因素。

（1）防雷系统应能抵抗一般的电磁脉冲干扰，防护直击雷对设备的大面积破坏；

（2）防雷系统应能对超偏载检测装置进行全面的防护，包括对主要部件如传感器、数据采集仪和工控机的防护；

（3）防雷系统对信号的衰减不能影响超偏载检测装置的信号传输和计量检测精度；

（4）防雷系统不能影响轨道电路信号。

2.4 超偏载检测装置综合防雷系统方案设计

通过对有关防雷技术条件的分析比较和对超偏载检测装置的测试，设计了超偏载装置的综合防雷系统方案。

（1）设备建筑物。构建对雷电的拦截和泄放系统，由房顶避雷带及避雷网格、引下线和接地网组成，避免建筑物出现物理破坏。

（2）设备机房。构建机房屏蔽层，从机房房顶、墙壁到接地网整体组成一个防护性能较好的法拉第电磁笼，将机房内与外界屏蔽。

（3）接地网和接地连接。构建环形接地网，分别引出安全接地、防雷接地和屏蔽接地，保证电气安全、雷电流的快速泄放和屏蔽效果，减少和避免电气化干扰对系统设备的影响。

（4）电源。对室外进入室内供超偏载检测装置使用的电源采用二次防护，在设备机房进线处安装电源防雷箱，在设备电源前端安装电源防雷器。

（5）系统信号设备。采用三级防护。第一级为传感器防护，对剪力传感器和压力传感器进行防护；第二级为室外线箱防护，将防雷器并联于室外线箱接线板端子上；第三级为室内数据采集仪防护，将防雷器并联于数据采集仪前端。超偏载检测装置综合防雷方案如图1所示。

图1 超偏载检测装置综合防雷方案示意图

3 系统防雷原理及技术方法

按照“系统、全面、分级、分设备”防护的原则，根据超偏载检测装置雷电防护的特殊性，以及超偏载检测装置所处的地理环境等相关因素，提出适用于超偏载检测装置系统防雷工程的设计理念。

3.1 设计原则

3.1.1 系统防雷，综合防护

将超偏载检测装置所有的信号设备看成一个整体系统，根据电磁兼容的原理，将局部、单一的防范措施提升到系统防护、整体防护高度，使各级防雷器件互相协调工作，实现多级配合、层层泄流，使信号设备系统得到有效保护。

3.1.2 分级、分设备防护

分级是对同一个通道的设备从室外到室内最后到具体设备的终端，分成多级防护。分设备是根据不同的设备，选择不同规格和不同等级的防雷保安器，保证使各个区域分界处的雷电冲击能量依次递减，最终保证设备所受到的冲击低于其承受水平，达到雷电防护，使系统得到保护的目的。

3.1.3 综合措施防护

微电子设备是以大规模集成电路为基础，其采用的固体元件对于雷电电涌更为敏感。从现场实际情况分析，绝大部分雷害都是由雷电的电磁脉冲引起，还有雷电流进入接地装置引起地电位升高而产生的反击。信号设备防雷主要是防雷电的电磁脉冲影响，因此要充分运用“改善电磁兼容环境条件，包含屏蔽、等电位设置及合理布线”等技术措施和方法，实现全方位综合防护。

3.1.4 良好的接地措施

良好的接地是保证雷电流能迅速、有效地泄放入大地的基本措施和前提条件。系统采用接地体 (含永久性接地体) 做成综合地网，综合地网的接地电阻在4欧姆以下 (具备有利条件的应在1欧姆以下)。同时，采用永久性接地体和严格的工艺技术措施，以保证综合地网的接地电阻值能长期稳定地保持在低阻值范围内。

3.1.5 故障导向安全

系统设计遵循故障——安全原则，选用符合铁路现行雷电防护标准的防雷保安器。防雷保安器的接入不影响设备正常工作，当防雷保安器故障时能迅速脱离被保护的电路。

3.2 系统防雷技术方法

参照国内外现行的防雷有关标准和规范，按照超偏载检测装置的防雷原则，采用综合的三级防护和二次防护及屏蔽和接地网络的建设，以全面防护雷电和电磁脉冲的干扰。

为了能更全面地保护超偏载检测装置设备，采取三级防护和二次防护的方法。一级防护为秤台上剪力传感器的保护，采用等电位保护器与传感器的屏蔽层连接，既能有效释放由钢轨传导过来的雷电，保护传感器不因电流过高而烧坏，同时又能避免轨道电路信号对传感器电路的干扰；二级防护为传感器接线盒的电气连接防护，信号防雷器连接在传感器线和信号线之间，在有效保护传感器的同时对信号的衰减极小；三级防护是将信号防雷器安装在室内信号线与采集仪线路之间，以保护数据采集仪不因过电流而烧坏。二次防护采用电源防雷箱和电源防雷器对进入室内的单相交流电源进行泄流、限压防护，避免外来电力干扰对室内造成影响。

在屏蔽层和接地网络建设方面，在设备机房房顶架设避雷带，并合理设置引下线与环型综合地网连接，构成一个可有效削减电磁干扰的法拉第笼。室内屏蔽层则采用铝扣板作为电磁屏蔽材料，并做到可靠接地。

超偏载检测装置综合防雷系统如图 2、图3所示。

图2 超偏载检测装置综合防雷系统主观示意图

4 系统的主要特点和使用效果

超偏载检测装置综合防雷系统与既有的超偏载检测装置采取局部范围、单一元件进行防护的措施相比，综合的三级防护和二次防护及屏蔽、接地网络的建设，把所有的信号设备看成一个整体系统，将局部、单一的防范措施提升到系统防护、整体防护高度，使各级防雷器件互相协调工作，实现多级配合、层层泄流、提高效率，更能全面防护雷电和电磁脉冲的干扰，具有稳定和全面保护相结合的特点。

超偏载检测装置综合防雷系统自 2006 年8月投入使用以来，系统状态良好，对超偏载检测装置起到良好的防护作用。主要体现在以下方面(以江村站上行超偏载检测装置安装防雷系统前后4年同期进行比较)。

（1）超偏载检测装置综合防雷系统对超偏载检测装置的信号无影响，符合各方面的要求；

（2）安装超偏载检测装置综合防雷系统后，减少了设备的损坏，降低了维修成本。安装综合防雷系统前后设备受雷击损坏情况对比如表1所示。

（3）减少设备隐性故障，方便维护。超偏载检测装置属微机弱电信号系统，容易受雷电和电磁脉冲的干扰，出现难以发现的隐性故障，给维护人员带来许多困难，严重影响设备的正常运行。安装的综合防雷系统在实践中证明能有效地防护雷电和电磁脉冲的干扰，保证超偏载装置的正常运行，极大地减少了维护工作。安装防雷系统前4年，设备维护不少于200 次，安装防雷系统后4年仅维护了 50 次。

表1 江村站上行超偏载检测装置雷击情况统计

（4）保证了超偏载检测装置运用质量。在设备故障率低的保障下，确保了超偏载检测装置对货车超偏载情况的有效监控，充分发挥了设备保安全的作用，保证了铁路运输安全。