鐵路貨車超偏載檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。然而，由于超偏載檢測(cè)裝置是集機(jī)械、電子、通信、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)為一體的新型安全監(jiān)控和計(jì)量檢測(cè)設(shè)備，使用了大量的微電子器件，且其秤臺(tái)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(cè)系統(tǒng)整體癱瘓。處于強(qiáng)雷區(qū)的超偏載檢測(cè)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(shí)檢測(cè)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(cè)裝置的防雷性能、增強(qiáng)其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性具有重要意義。

1 鐵路貨車超偏載檢測(cè)裝置綜合防雷系統(tǒng)研制背景

目前，生產(chǎn)超偏載檢測(cè)裝置的廠家對(duì)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(duì)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(duì)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(tái)超偏載檢測(cè)裝置為例，3 臺(tái)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(huì)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(tái)設(shè)備每年因雷擊損壞的傳感器個(gè)數(shù)在 15 個(gè)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(cè)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(cè)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(cè)裝置為試驗(yàn)點(diǎn)，研制鐵路貨車超偏載檢測(cè)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(cè)裝置遭雷擊的情況

通過對(duì)超偏載檢測(cè)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(huì)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(huì)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(cè)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(cè)裝置的既有防雷措施

現(xiàn)有的超偏載檢測(cè)裝置防雷措施是設(shè)備廠家在安裝超偏載檢測(cè)裝置時(shí)安裝的，主要是在供電電源中安裝隔離電源并對(duì)主要的設(shè)備外殼進(jìn)行簡單接地。這樣不能對(duì)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(cè)裝置綜合防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)因素

根據(jù)超偏載檢測(cè)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(shí)，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(duì)設(shè)備的大面積破壞；

（2）防雷系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)超偏載檢測(cè)裝置進(jìn)行全面的防護(hù)，包括對(duì)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(duì)信號(hào)的衰減不能影響超偏載檢測(cè)裝置的信號(hào)傳輸和計(jì)量檢測(cè)精度；

（4）防雷系統(tǒng)不能影響軌道電路信號(hào)。

2.4 超偏載檢測(cè)裝置綜合防雷系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

通過對(duì)有關(guān)防雷技術(shù)條件的分析比較和對(duì)超偏載檢測(cè)裝置的測(cè)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(duì)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(gè)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(duì)系統(tǒng)設(shè)備的影響。

（4）電源。對(duì)室外進(jìn)入室內(nèi)供超偏載檢測(cè)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(hào)設(shè)備。采用三級(jí)防護(hù)。第一級(jí)為傳感器防護(hù)，對(duì)剪力傳感器和壓力傳感器進(jìn)行防護(hù)；第二級(jí)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(jí)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(cè)裝置綜合防雷方案如圖1所示。

圖1 超偏載檢測(cè)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(jí)、分設(shè)備”防護(hù)的原則，根據(jù)超偏載檢測(cè)裝置雷電防護(hù)的特殊性，以及超偏載檢測(cè)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(cè)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(cè)裝置所有的信號(hào)設(shè)備看成一個(gè)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(jí)防雷器件互相協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)多級(jí)配合、層層泄流，使信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)得到有效保護(hù)。

3.1.2 分級(jí)、分設(shè)備防護(hù)

分級(jí)是對(duì)同一個(gè)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(jí)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(jí)的防雷保安器，保證使各個(gè)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(duì)于雷電電涌更為敏感。從現(xiàn)場(chǎng)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(hào)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(shí)，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(shí)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(cè)裝置的防雷原則，采用綜合的三級(jí)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(cè)裝置設(shè)備，采取三級(jí)防護(hù)和二次防護(hù)的方法。一級(jí)防護(hù)為秤臺(tái)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(shí)又能避免軌道電路信號(hào)對(duì)傳感器電路的干擾；二級(jí)防護(hù)為傳感器接線盒的電氣連接防護(hù)，信號(hào)防雷器連接在傳感器線和信號(hào)線之間，在有效保護(hù)傳感器的同時(shí)對(duì)信號(hào)的衰減極小；三級(jí)防護(hù)是將信號(hào)防雷器安裝在室內(nèi)信號(hào)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(duì)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(duì)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(gè)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(cè)裝置綜合防雷系統(tǒng)如圖 2、圖3所示。

圖2 超偏載檢測(cè)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(cè)裝置綜合防雷系統(tǒng)與既有的超偏載檢測(cè)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(jí)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(hào)設(shè)備看成一個(gè)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(jí)防雷器件互相協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)多級(jí)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(cè)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(duì)超偏載檢測(cè)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(cè)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(cè)裝置綜合防雷系統(tǒng)對(duì)超偏載檢測(cè)裝置的信號(hào)無影響，符合各方面的要求；

（2）安裝超偏載檢測(cè)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(duì)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(cè)裝置屬微機(jī)弱電信號(hào)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(cè)裝置雷擊情況統(tǒng)計(jì)

（4）保證了超偏載檢測(cè)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(cè)裝置對(duì)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。