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基于系统防雷设计的电子汽车衡介绍

      本文详细分析了电子汽车衡被雷击的原因,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,解决了大型电子汽车衡的防雷难题,使得电子汽车衡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,不仅给企业带来较大的经济效益,也带来较好的社会效益。
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。大型电子汽车衡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,甚至造成电子汽车衡 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电子汽车衡系统的实际造价,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,开展电子汽车衡系统防雷的研究具有重要意义。
二、电子汽车衡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 8μs 左右达到峰值,并在 40μs 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电子汽车衡上造成不同程度的破坏。
大型电子汽车衡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,这就是大型电子汽车衡经常因遭受雷击而损坏最主要的原因。
另外,当电子汽车衡遭受雷击时,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。这也是大型电子汽车衡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电子汽车衡易遭雷击而损坏的原因之一。总之,凡是与电子汽车衡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,接地是电子汽车衡整体防雷系统极为重要的一环。
三、我国电子汽车衡防雷的现状
我国电子汽车衡防雷起步较晚,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,目前我国电子汽车衡防 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) 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;
(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) 在秤台附近加装避雷针;
(4) 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。因为电子汽车衡是由称重传感器、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。
(5) 安装电子汽车衡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;
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电子汽车衡的哪一个部位,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) 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。
(2) 雷雨天切断电源,电子汽车衡停止使用,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。
(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电子汽车衡系统的各组成部分,不能保护电子汽车衡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电子汽车衡的系统防雷。
四、电子汽车衡系统防雷设计
电子汽车衡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,结合电子汽车衡系统 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,照常使用电子汽车衡,使得企业称重计量不受雷击的影响,该设计具体包括以下三个部分。
(1) 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。
 (2) 对传感器、二次仪表等电子汽车衡整体的各个部分,做特殊的等电位防雷保护。
等电位保护是电子汽车衡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,此电位对电子汽车衡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电 子汽车衡造成的破坏。
(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。