地磅（轨道衡）防雷系统雷击故障分析

介绍现有轨道衡防雷系统的工作原理和防雷效果，以轨道衡的雷击事故为例，通过现场勘验 和分析，指出雷击导致轨道衡损坏的原因，提出轨道衡防雷系统的改进要点。

0.引言

铁路上使用的轨道衡和铁道货车超偏载检测装 置，需长期连续运行，且多安装于空旷室外。在雷 电多发区安装的轨道衡和超偏载检测装置易遭受雷 击而损坏，不但会造成经济损失，还会影响行车安 全，因此陆续安装了防雷系统。对安装了防雷系统 的轨道衡和超偏载检测装置发生的雷击故障进行分 析，有利于更好地了解雷击对轨道衡和超偏载检测 装置损坏的原理，分析防雷系统的性能和可靠性， 提出改进意见，更好地保护轨道衡受到雷击时不受 损坏，能够安全连续运行。

1.防雷系统构成及原理

目前，轨道衡安装的防雷系统通常由电源防雷 箱、仪表防雷箱、传感器防雷模块、钢轨隔离接地 装置和信号防雷模块几部分构成，并与接地网络连 接构成整体等电位系统。接地网络起到雷电泄流和 等电位的双重作用，等电位是防雷系统的核心原 理。整体防雷系统原理如图1所示。

2.故障分析

2.1故障介绍

某站货场安装的一台单台面不断轨自动轨道衡 处于雷电易发区，由于安装点地势开阔，衡器安装 后年年均有雷击损坏。2012年在原衡器上安装了 上述丁作原理的防雷系统，近4年基本未发生雷击 损坏事故。2016年7月14日，发生动态轨道衡受 雷击损坏。据现场计量员介绍，14日23时左右下 大雨，轨道衡方位发生雷电，之后上传数据停 止，轨道衡损坏。

2.2现场外观勘查

（1）地网检查。现场勘查，看到故障轨道衡 的主地网与机箱接地端扁钢断开，扁钢裸露在外。 经测量接地电阻达19 Ω (称台与机箱间埋人地下 扁钢的接地电阻），主地网接地电阻2.5Ω。

（2）雷电记录仪检查。钢轨端雷电记录仪记 录到：钢轨到地网间产生71 kA雷击极值电流，时 间为2016年7月14日23时17分；电源端雷电记 录仪记录到：电源到地网间产生32 kA雷击极值电 流，时间为2016年7月14日23时15分。近5年 电源端记录仪共记录脉冲电流多达210次，钢轨端 记录仪共记录脉冲电流多达190次。记录仪记录到 的电流极值多为十几千?安以下，也有超过30 kA 的，最后这次最大，达到71 kA，是轨道衡安装防 雷系统后记录到的最强雷击电流。

（3）供电系统检查。勘查发现供电电源总空 开（额定电流30 A )炸开毁坏，其后的双路自动 转换空开（额定电流40 A)损坏，外观无痕迹。

2.3防雷系统检查

电源防雷箱正常，钢轨等电位隔离模块正常， 串口防雷模块正常，车号防雷模块正常，传感器防 雷模块正常，电源端雷电记录仪正常，钢轨端雷电 记录仪正常。

防雷系统主要损坏为网络防雷模块损坏，外观有 放电点痕迹;7个9针仪表防雷模块中有1个损坏， 模块内部焊接点与覆铜板走线间有过压放电痕迹。

2.4轨道衡系统检查

（1）系统各部分。计算机系统完好，车号系 统完好，A/D通道完好，压力传感器完好，剪力传 感器完好，轨道衡系统基本完好无损，网络交换机 经重新上电后可正常丁作。

（2）整体系统联查。取下损坏的网络防雷模 块和2个损坏的仪表防雷模块，然后恢复系统供 电，用笔记本电脑取代监测室电脑，对整体系统进 行检测。开始数据交换机数据不通，但对交换机重 新供电后数据传输正常，之后整体系统丁作正常。 经对多列过衡列车进行实际计量，整体系统丁作正 常、计量准确；车号系统和数据传输系统均正常。 取下笔记本电脑，复原原来系统，系统丁作正常。

3.事故原因分析

3.1供电电源方面

事故轨道衡附近的闪电和雷声说明产生了落地雷，并且直接击中了轨道衡附近的钢轨。钢轨端记 录仪示值71 kA为较强直击雷的电流，也证明雷击 的情况，雷电记录仪的记录时间与现场计量员见到 的闪电时间相符。此雷电流在雷击点延钢轨向两端 传播，沿钢轨陆续泄人大地，在称台附近，雷电流 经钢轨等电位隔离模块经地网泄人大地，记录电流 极值为71 kA。据此判断此次雷击电流直接击中钢 轨，是一次很强的直击雷事件。

机柜地与称台接地间是通过扁钢直接相连的， 但因此段与主地网断开，接地电阻过大（19ft)， 不能有效地泄放雷击电流，所以产生了强烈的地线 反击，电源端雷电记录仪记录到电流极值为32 kA， 此电流是由地线经防雷箱的PE端，再经过防雷箱 里的放电管和压敏电阻进人供电电源。在此极值为 32 kA的地线反击电流冲击下造成了电源第1级 30 A的空开损坏并炸开，而与之串联的第2级 40 A的双路自动切换空开亦损坏，但外表正常。 这是空开的额定电流不同造成的损坏差别。

3.2防雷系统方面

整体防雷系统PE电位基准点为机柜接地点。 而32 kA的地线反击电流，使各个SPD模块的PE 端之间在雷击瞬间产生了很大电位差。仪表防雷模 块的损坏就是这一电位差造成的，模块内的放电痕 迹说明这一电位差很高。

网络防雷模块紧靠机柜安装，外壳的拉弧痕迹 提示：雷击时网络防雷模块的PE点电位与机柜间 的电位差相当大，而产生拉弧放电，进而损坏了网 络防雷模块，对交换机造成了损坏，模块内的PSD 器件损坏后为短路状态，故而造成数据传输停止。

4.事故总结和防雷系统改进建议

4.1事故总结

此次强雷击事件，是恰逢接地网络损坏而造成 的事故，揭示雷击对系统损坏的原理，验证防雷系 统的性能，是一次实际雷击对防雷系统的防雷性能 的检验。

此次雷击事故，强雷击中秤台附近的钢轨是雷 击事件的原因，但更重要的原因是接地网络损坏。 由地网、防雷箱、钢轨隔离接地装置等组成的雷电 流泄放系统，不能有效地泄放掉雷击电流，从而产 生了强烈的地线反击是造成这次事故的主要原因。

事故说明轨道衡的此防雷系统的设计方案是可 靠有效的。各个SPD模块、防雷箱等和地线共同 构成等电位和雷电流泄放系统，虽有模块损坏，但 保护了计量系统在雷击时不受损坏。SPD器件的损 坏状态为短路，也说明即使发生连环雷击也能发挥 防护作用。

4.2防雷系统的改进建议

根据对事故的分析，对轨道衡防雷系统提出以 下建议。

⑴防雷系统必须具备良好的接地网络。此 事件因主接地网断开而使防雷系统地网接地电阻高 达19Ω，远超出4a的要求。主地网接地电阻 是2.5 a，若地网完好则接地电阻经计算约为2.2 n，这样雷击电流可得到有效释放，地线反击电流 绝不会超过10 kA，由此反击电流产生的各个SPD 模块PED点的电位差就在可承受范围之内，计量 系统和防雷系统都会完好无损，就不会出现这次事 故。此次雷击也只是在钢轨端雷电记录仪上增加一 次大于72 kA的雷击事件记录，在电源端雷电记录 仪上增加一次小于10 kA的雷击事件记录而已。因 为此防雷系统在实验室完全承受住了极值达128 kA，8/20 波形的反复冲击，条件是接地电阻 小于4ft。因此，轨道衡的防雷系统必须具备良 好的接地网络，并且保证其丁作状态正常。

(2 )防雷系统SPD模块的安装丁艺和制造丁 艺十分重要。网络SPD模块损坏的主因是：模块与机柜绝缘不好，以至产生放电现象。仪表SPD 模块损坏则是因为焊接时产生的毛刺发生放电而产 生。所以防雷器件的焊接丁艺也是十分重要的。

（3）合理确定仪表和传感器SPD模块容量。 事故中损坏的SPD模块中的器件为1.5 kW，考虑 器件的容量与体积，一般场合应采用3kW、多雷 场合采用5kW的较为合理，防雷效果会更好，系 统更加稳定。

（4）雷电记录仪是非常必要的。对雷击事件 原因、原理和防雷效果等分析，雷电记录仪的记录 给出了最为重要的雷击事件的完整记录。记录仪虽 与防雷无关，但其记录功能提供了雷击次数、强度 和时间等第一手数据，为事故分析和领导的科学决 策提供了第一手资料。

5.结语

通过此次接地网络损坏而造成的强雷击事故， 揭示雷击对防雷系统损坏的原理，验证防雷系统的 性能。既有的由地网系统、防雷箱、各个构成等电 位的SPD模块、钢轨隔离接地箱和雷电记录仪等 构成的完整防雷系统较为可靠，能够满足轨道衡 防雷的需要，但也应根据事故经验不断完善防雷 系统。