铁道机车检测装备防雷的设计

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本文作者：郑捷曾1唐斌1肖贤伟2周毛德2作者单位：1.深圳科安达电子科技股份有限公司2.南昌铁路局技术监督所

超偏载检测装置的综合雷电防护

1综合雷电防护概述

综合雷电防护既包含直击雷的防护，也包括感应雷、传导雷及各种操作过电压、静电的防护，只有实施综合的、系统的雷电防护，才能获得理想的保护效果。电子设备的雷电防护应采取综合防护的方法，主要包括3个方面。（1）改善电磁兼容环境条件，包含屏蔽、等电位设置以及合理布线。（2）分区分级设置防雷保安器。（3）良好的接地措施。在超偏载检测装置的综合雷电防护实践中，根据现场建筑物的地理、气象条件，结合机房内外的电磁环境及设备应用情况，采取科学、合理、经济、有效的综合防护措施，取得了很好的保护效果。

2超偏载检测装置的直击雷防护及屏蔽措施

(1)直击雷防护措施

直击雷的防护由外部防雷系统承担，在超偏载检测装置机房建筑物的房顶设置避雷带和避雷网作为接闪器，在机房建筑物的四周均匀设置4根引下线与综合环型地网相连，同时综合环型地网与建筑物的主钢筋相连，这样构成完整的外部法拉第笼，起到直击雷的防护和电磁屏蔽作用。

(2)设置综合环型地网

良好的接地是综合雷电防护的基础，感应雷、传导雷及各种操作过电压、过电流、静电最终都要通过地网泄放。在机房建筑物的四周设置环型地网，该地网由水平接地体和垂直接地体组成。水平接地体采用40mm×4mm热镀锌扁钢，距建筑物外墙间距不小于1m，埋深不小于0.7m；垂直接地体采用耐腐蚀性强的石墨电极，接地电阻要求不大于1Ω。考虑超偏载检测装置机房设立在路基上，而路基的土壤电阻率普遍较高，接地电阻难以达到要求，可采取增设垂直接地体及外延接地体的措施，以增加泄流面积及降低接地电阻。设置外延接地体时，水平接地体的有效长度计算如下：le=2姨ρ。上式中，le为接地体的有效长度，m；ρ为敷设接地体处的土壤电阻率，Ω•m。环形地网必须与建筑物四角的主钢筋焊接，根据超偏载检测装置机房建筑物现场条件，也可将环形地网设置成U型，以便与地网连接的各种引线就近连接。现场如有贯通地线，环形地网须与贯通地线相连接。

(3)设置局部贯通地线

超偏载系统和车次号设备均由安装在室内及室外的设备构成，室外设备如传感器、磁缸、接线箱等安装在轨道或轨道旁并通过电缆与室内设备相连。由于室外受条件限制只能设置简易地网，按相关标准要求室外信号设备接地电阻值可在10～20Ω之间，而机房建筑物的环型地网接地电阻值为小于1Ω，这样室外设备感应的大部分过电压和过电流就会通过电缆传导至室内，从而极易损坏相关设备。为了解决上述问题，采用设置局部贯通地线的方法，将室内外地网用贯通地线连接，使室内外设备的接地电阻相同，地电位相等，形成整个系统区域内共地。这将大幅减少通过电缆传导至室内设备的过电压和过电流，提高系统设备抗干扰能力，减少雷击故障。从近年在试点站实施的情况看，此方法取得了很好的防护效果。

3机房室内法拉第笼屏蔽

由于超偏载检测装置机房内集中了大量微电子设备，为改善机房内电磁环境，增强对各种电磁干扰的抵御能力，须对超偏载检测装置机房进行更完善的室内法拉第笼屏蔽。具体方法如下。（1）在超偏载检测装置机房内除地板外的5个面设置屏蔽层，屏蔽层选用厚度为0.6mm的铁板作为电磁屏蔽材料，铁板间用2mm2的软铜线可靠连接，确保屏蔽层连成一个整体；整个屏蔽层用25mm2的软铜线与地网可靠连接。（2）机房的门、窗采用截面积不小于3mm2、网孔80mm×80mm的铝合金网做屏蔽，并用16mm2的软铜线与地网及屏蔽层可靠连接。（3）机房地面采用防静电地板做屏蔽，静电地板的金属骨架最少每隔2m使用16mm2的软铜线与四周屏蔽层可靠连接。

4机房室内接地汇集线及等电位连接

等电位连接是保证设备和人身安全的重要防护措施。在超偏载检测装置机房应设置防雷接地汇集线、安全接地汇集线、屏蔽接地汇集线。各接地汇集线单独设置，材料采用不小于30mm×3mm的紫铜排，长度满足所有设备能以最短距离就近接地；对各接地汇集线，分别采用截面积不小于25mm2带绝缘外护套的多芯铜导线与环形接地装置连接。由于高频电流的趋肤效应，电缆的屏蔽层传导大部分的雷电流，为了泄放从电缆屏蔽层传导进入机房的雷电流，对进入机房的所有电缆的屏蔽层在入室处断开，并分别进行接地处理，这将大幅减少从各电缆传导的雷电流对设备的冲击。

5超偏载检测装置电源的雷电防护

由对雷电脉冲频谱分析可知，雷电90%以上的能量都集中在100kHz以下，极易从工频电源系统中耦合进入。据统计60%～70%的雷击事故发生在电源部分。IEC1312《计算机信息系统防雷保安器》规定，对雷电的防护分4个梯度，交流从6～1.5kV，直流从500～120V，根据设备的耐压及重要程度，来确定电源避雷器的级数和各级的限制电压，既防雷电过电流，又防雷电过电压。对超偏载系统，机房电源防护是重点，应采用源引入处安装防雷箱，作为电源第Ⅰ级防护，防雷箱通流容量不小于40kA，限制电压小于2000V；在设备UPS的输入端安装电源防雷器，作为电源第Ⅱ级防护，其通流容量不小于20kA，限制电压小于1500V；对工控机、采集设备、通信设备等采用具有滤波功能的电源防雷插座供电，作为电源第Ⅲ级防护。通过3级防护，将从电源线传导的过电压和过电流逐级对地泄放，使设备得到有效保护。

6超偏载检测装置数据通道的雷电防护

(1)室外传感器的防护

超偏载传感器包括压力传感器和剪力传感器。传感器作为超偏载检测装置的核心部件，由于安装在室外，因此应采用具有多级防护电路的防雷保安器进行重点防护。由于传感器输出的信号直接关系到计量精度，在选用防雷保安器时，须考虑插入损耗、对地绝缘阻抗等指标满足实际要求。在室外称台旁边的接线盒内，对传感器的电源线和信号线分别安装串联型防雷保安器。实际应用中，选用BVBKF-24DC直流电源防雷保安器及BVBSFLM-H信号防雷保安器,其内含多级保护电路，具有电压保护要求低、对信号衰减小、模块可热插拔、安装和维护方便的特点。

(2)室内数据采集设备的防护

传感器的连接电缆从室外接线盒引入到机房，与数据采集设备接口连接。为防止从电缆传导的过电压侵入室内设备，采用新型的BVB信号防雷箱对进入数据采集设备接口的电源线和信号线进行防护。现场安装时，室外电缆直接进入BVB信号防雷箱，经过防雷保安器防护后连接到数据采集设备接口，将电缆屏蔽层切断后与综合地网连接。这些措施将室内外电缆进行隔离，大幅提高了防护效果。

(3)车次号射频接口的防护

机房内的车次号设备（数据读出器）通过同轴电缆与室外的磁钢连接。由于电缆从室外引入，穿越了防雷区，因此，必须在引入处安装防雷保安器。对于同轴电缆接口，采用BVBHX-3N50天馈线防雷保安器，用于数据读出器射频接口的保护。

(4)通信设备接口的防护

机房内的通信设备主要有交换机、调制解调器，由室外引入的电话线及网线必须进行防护。对于调制解调器，采用BVBFLM-WJ-RJ45/11电话线信号防雷保安器进行防护；对于交换机，采用BVBFLM-WJ-RJ45网络线路防雷保安器进行防护。

7施工与工艺要求

综合雷电防护措施的施工与工艺，对整体防护效果有直接关系。在防雷施工过程中，应严格按照设计要求及工艺要求施工，加强过程监督和检查，确保工程质量。下面是需要特别注意的工艺要求。（1）施工中，要求所有泄放雷电流的导线必须阻燃且走最直接的路径，应减少长度和方向变化，且这些导线的曲线半径不小于200mm。（2）对所有防雷保安器的接地线必须与接地汇集线就近可靠连接，接地线必须用短而直的黄绿软塑料多股铜导线，截面积不小于1.5mm2。（3）并联型防雷保安器与被保护设备端子的连接线截面积不小于1.5mm2，长度不得大于0.5m，受条件限制时，可适当延长，但严禁超过1.5m；或采用凯文接法。（4）采用栓接连接时，必须使用双螺帽。（5）引接线、接地汇集线间的连接线等在穿越墙体、楼板时应加装保护并保证与墙体绝缘。（6）各种防雷保安器均应设置用途及去向标牌。

超偏载检测装置综合雷电防护措施的运用情况

1现场应用情况

南昌铁路局从2009年开始选择了12个雷电多发地段的超偏载检测装置机房作为试点，按照上述方案进行了综合防雷改造。根据现场各站的具体情况，采取防护直击雷、感应雷，改善电磁环境等措施，同时对电源、数据通道分区分级设置防雷保安器，构成了超偏载检测装置区域内较为完善的综合防雷系统。

2应用效果

对综合防雷改造的各站点进行跟踪、统计和对比表明，经过综合防雷改造站点的设备受雷击损坏的现象大幅减少。随着电磁环境的改善，设备工作更加稳定、可靠，极大地减少了设备的维护工作量及维护成本，提高了设备的利用效率。

结语

超偏载检测装置的雷电防护问题正在不断受到重视。对于新建的超偏载系统，建议从设计到建设过程中将综合防雷系统作为重要设施一起建设；对于既有超偏载系统，建议进行综合防雷整治。试点站实施的情况表明，只要根据设备的特点和现场应用环境情况，因地制宜地采取综合的、系统的雷电防护措施，都能起到很好的效果，为超偏载系统的安全、稳定运行提供可靠保障。