地磅系统防雷设计的探讨

本文详细分析了地磅被雷击的原因，从系统的观点介绍了一种性能 先进的系统防雷电技术，克服了以往局部防雷所存在的缺点，使得地磅系统防雷具有 较高的性价比和可靠性，较好的规范性和先进性，解决了大型地磅的防雷难题，不仅 给企业带来较大的经济效益。

一、问题的提出

雷电是一种常见的自然现象，它具有极大的 破坏力。大型地磅系统的秤台部分大多在 户外露天安装，经常因遭到雷击而损坏，甚至造 成地磅系统整体被摧毁。有的处于强雷区 的衡器系统，年年遭到雷击，甚至一年遭到几次 雷击。一次雷击造成的直接经济损失可达几万到 几十万元人民币，其直接经济损失有时甚至远远 超过了地磅系统的实际造价，更重要的是 会使整体衡器系统工作停顿，影响衡器使用单位 经营活动的正常进行，使企业声誉受损；其间接 损失更是无法估量的。因此，开展地磅系 统防雷的研究具有重要意义。

二、地磅遭受雷击损坏的原因

自然界中常见的雷电主要有直击雷、感应雷和 传导雷三种。当直击雷对地放电时，在8us左右 达到峰值，并在40u s内完全泄放，因此，直击雷 电流具有幅值极高、频率极高、冲击力极强等特 点，在地网中产生的电位差会损坏电器设备，甚至益，也带来较好的社会效益。

直接危及人的生命安全；当雷电击中输电线路或 闪雷放电发生在输电线路附近时，产生的感应雷 经由电力线以及与外界有电路联系的信号电路使 电子设备损坏，通过对雷击事故分析的结果表明： 雷电造成的电子设备损坏90%以上是感应雷造成 的；传导雷是指远处的雷电击中线路或因电磁感 应产生的极高电压，由室外电源线路传至建筑物 内，损坏电器设备。特别是电子轨道衡系统，雷 电可通过轨道对衡器系统进行直接破坏。因此， 直击雷、感应雷和传导雷均会作用在地磅上造成不同程度的破坏。

大型地磅的秤台和钢轨等金属构件极易 遭受雷电袭击，特别容易产生由于电磁感应而导致 的浪涌电压。因此，安装在秤台下的传感器及与其 相连的二次仪表和相应的计算机系统，很容易遭到 雷电的袭击而损坏。大多数情况下，由于传感器弹 性体与秤台是处于电气连通状态的，而传感器的弹 性体与电子电路之间耐压极限只有1KV到1.5KV, 传感器弹性体上感应的高电压会将传感器的应变片和其后的相应电路击穿，这就是大型地磅经 常因遭受雷击而损坏最主要的原因。

另外，当地磅遭受雷击时，有强大的电 流通过传感器的弹性体，经实验测试，即使在传感 器的两端加装多条短路分流带，由于高频电流的趋 肤效应，当冲击电流达到60KA时，传感器两端的 压差可达数千伏，即：传感器弹性体上有巨大的电 流通过，此电流产生的电磁场强度足以破坏传感器 内部应变片电路和电子电路，进而波及到与其相连 的二次仪表及计算机系统。这也是大型地磅容易遭雷击而损坏的原因之一。

架空的供电电源也极易遭受雷电袭击，所以架 空电源也是大型地磅易遭雷击而损坏的原因 之一。总之，凡是与地磅系统有电路连接或 信号联系的地方，都有可能引入雷电袭击而产生浪 涌电压，造成衡器系统损坏。

接地虽然是保护电子衡器的一种方法，尽管接 地电阻和衡器保护方式都相同，但是，接地方法不 同，是单点接地还是多点接地，是系统接地还是局 部接地，防雷效果却截然不同，所以，接地是地磅整体防雷系统极为重要的一环。

三、我国地磅防雷的现状

我国地磅防雷起步较晚，技术水平比较 落后，防雷设施比较陈旧，在防雷思想上还停留在 局部防雷阶段。据我们调查发现，目前我国地磅防雷主要沿用传统防雷方法，不是从系统的观 点出发按照科学性、规范性进行全面防雷，而是按 照传统的观点片面的、局部的去设置防雷设施，归 纳起来主要有以下几种方法。

（1）在秤台附近加装避雷针；

（2）雷雨天不称重，即在雷电到来之前人工 把电源切断，停止称重，以保证衡器不被雷击；

（3）只在电源端安装电源防雷模块，雷电袭 击时自动断电，停止称重；

（4）安装地磅厂家生产的通用防雷设 施,如电源防浪涌设备，在雷电到来时，防止浪 涌和过电压；

（5）只对称重仪表和传感器分别接地。

局部防雷虽然能取得一定的防雷作用，但却存 在着致命弱点。因为地磅是由称重传感器、 秤体、称重控制仪表、计算机、打印机和大屏幕显 示器组成的机电一体化设备，各组成部分之间不是孤立存在的，而是通过连接导线有机连接起来的有 机整体，既有能量流(电源连接导线）又有信息流 (称重信号传输导线）各组成部分之间互相影响、 互相制约。

在自然界中，因雷击发生是随机的、不可控 的，也是复杂多变的，很难预测雷电会袭击地磅的哪一个部位，单纯使用某种防雷手段, 起不到较好的防雷效果，归纳起来，局部防雷具 有以下不足。

（1）雷雨天切断电源，地磅停止使用, 使得称重工作不能照常进行，严重影响了企业的经 营管理，使得企业的经济损失加大。

（2）只做电源防雷，不做秤体和传感器防雷, 当直击雷打在秤台上时，容易产生由于电磁感应而 导致的浪涌电压，该电压会将安装在秤台下的称重 传感器击毁，甚至还会击毁与传感器相连的称重仪 表和计算机系统。

（3）当称重仪表和传感器分开接地时，在两 个接地点之间会产生电位差，强大的雷击电流会通 过接地点流过传感器，从而损坏传感器，甚至还会 波及到称重控制仪表和计算机系统。

因此，局部防雷是孤立的看待地磅系统 的各组成部分，不能保护地磅系统各组成部 分的安全，而真正能够起到可靠防雷作用的是地磅的系统防雷。

四、地磅系统防雷设计

地磅系统防雷是从系统的观点出发，本 着“综合防护、系统防护、逐级限压”的全面防护 理念，依据现代防雷技术设计规范，结合地磅系统的结构特点，从传感器、秤体到称重仪表统 一进行防雷设计，从而做到：方案优化、技术合 理、经济有效、安全可靠，把雷电灾害降低到最低 的水平。在雷雨天不用切断电源，照常使用地磅，使得企业称重计量不受雷击的影响，该设计 具体包括以下五个部分。

（1）对传感器、二次仪表等地磅整体 的各个部分，做特殊的等电位防雷保护。

等电位保护是地磅系统雷电保护系统的 核心和根本。雷击时，在强大的雷电电流泄入大地 的瞬间，由于接地线存在电阻和电感，因此整体衡 器系统对地可产生几万甚至几十万伏的高电位，此 电位对地磅的各个部分甚至整体系统都是毁灭性的打击。本系统对整体衡器系统的各部位(传 感器、仪表和计算机)的各种接口均做相应的等电 位保护，使整体衡器系统的基础电位随地线电位 的变化而变化，实质上也就是水涨船高之意，这 就避免了雷击电流产生的高电位对地磅造 成的破坏。

（2）切断传感器弹性体与秤台的电气通道， 另外提供电流的泄放通道。

只做等电位保护还不够，还必须切断传感器与 秤台的电气连接。雷击电流可以看做超高频且能 量巨大的电流，与直流电流有着本质的区别，决 不能以直流电阻来计算雷击时通过传感器弹性体 的电流。实验测试表明：虽然在传感器的两端加 装多条短路分流带，但仍不能有效地保护传感器。 本方案采用特殊装置，彻底切断传感器的电流通 路，彻底阻断雷击电流通过传感器弹性体，从而 避免了雷击电流产生的电磁场对传感器的破坏, 同时保证雷击电流通畅地泄入大地。

（3）供电系统做多级防雷保护。

以上两条措施可以对整体衡器系统具有一定的 保护功能，但对来自电源的雷击浪涌则无能为力。 而架空供电的电源线极易受到雷电袭击而产生浪 涌，通过电源，造成衡器系统损坏，因此，电源系 统更应该加强防护。对此，本方案采用多级防护电 路，只有这样，才能把较大的各种浪涌过电压削减 到电器设备能够承受的水平，才能给设备提供安全 有效的保护。系统对电源采用B+C+D多级防雷保 护方案，如图1所示。

（4）在秤台周围构建包括秤台基础在内的防 雷接地网，整体衡器系统在秤台附近单点接地。

整体衡器系统实现如上各项保护措施后，能不 能达到预期目的，关键在于整体衡器系统的接地方 式。本系统采用的接地方式为：单点接地方式。在 秤台周围构建包括基础在内的防雷接地网，称重传 感器连接到防雷接地网上，同时，计量室四周墙内 也安装金属防雷网，称重控制仪表和计算机等电器 设备也连接到计量室防雷网上，将秤台的防雷地网 与计量室的防雷网相连，在秤台附近单点接地，这 样，整体衡器系统只有一个基础电位，当发生雷击 时，此电位就会随着接地点的电位起伏而变化，确 保整体衡器系统安然无恙。

（5）安装雷电记录仪，对地磅系统防 雷作实时监测。

雷电记录仪是一种小型雷电感应记录设备，它 可以准确记录各种导线上由于雷电感应或其他原因 形成的浪涌信号，它不仅可以记录发生浪涌的时 间，而且可以记录浪涌电流的强度。由UC-2000雷电记录仪采 用了功能强大的单片机系统和大容量的存储器，先 进的档案数据管理方式，可存储4000条记录。查 询方式方便简单，先进的自复位系统，可以保证在 任何条件下都不会死机；带有背光的大屏幕液晶显 示系统，可以保证在任何条件下都能清楚地查询记 录。由于仪雷电记录仪能实时测量记录雷电发生的 强度和时间，本系统内安装两台雷电记录仪，分别 测量电源的接地点和传感器接地点的雷电电流强度 及发生的时间，对衡器整体系统防雷进行实时监 测。雷电记录仪如图2所示。

国际电工委员会标准将各种类型的电子系统, 如计算机、通信设备、工业和商业自动化控制系统 等归为信息系统，信息系统的防雷及过电压保护是 一种系统工程，必须贯彻整体防护的思想，综合运 用分流(泄流)、均压(等电位)、屏蔽、接地和保护 (箝位)等各项技术，构成一个完整的防护体系，才 能取得最佳效果。地磅系统防雷正是按照这 一要求进行设计的。地磅系统防雷电气示意 图如图3所示。电子汽车衡系统防雷接地示意图如 图4所示。

五、结束语

与局部防雷相比，地磅系统防雷具有系 统性、科学性、规范性和可靠性高等优点。本地磅系统防雷设计结构合理、性价比高。该系统 对受保护的地磅系统不做任何改动，不影响 衡器的计量性能。当有雷电袭击时不用停电，地磅正常计量，从根本上解决了地磅系统的防雷难题，一次投资，终身受益。根据衡器所处雷区的雷电特点，选用不同的配置，通过对本设计 方案稍加改动，还可以广泛应用于铁路、公路超偏 载系统、动、静态电子轨道衡、高炉秤、配料秤和 皮带秤等各种电子衡器系统，适用范围广范。可为 用户带来巨大的经济效益，同时，也会产生巨大的 社会效益，特别符合我国“建立节约型社会”这一 基本国策，有利于使用单位花最少的钱，获得最大 的经济效益。