凈水廠自控防雷系統設計實際應用研究

楊 明

合肥供水集團有限公司，安徽 合肥 230001

1 自控配電系統的防雷

假如輸電線路受到雷擊，或者雷閃放電與輸電線的距離相對比較近，就會在輸電線路上產生雷電沖擊波，沖擊波經過配電線路進入到自控設備的電源模塊。通過配電線路感應到同一電纜溝的自網絡線進入自控設備通訊模塊的幾率，要比通過天饋與信號線路進入的機率大出多倍，因此對自控系統配電線路采取可靠的防雷措施非常重要。一般凈水廠的配電系統均會設置避雷裝置，不過由于避雷裝置的保護對象往往是電氣設備，因此自控設備的電源模塊就有受到雷擊的可能。通常避雷設置的起動電壓要求比較高，但是自控設備的耐過壓能力卻比較低，有些還設置了較大的分散電容，和設備負載形成分流關系，所以避雷設備的起動電壓低于自控設備的殘壓，從而損壞自控設備。此外，大型設備在啟停過程中也會出現過電壓，對自控系統產生損壞。所以單級保護或者采用單一器件很難滿足自控設備對電源的要求，需要采取多級防護措施。具體防護措施的級別要根據實際情況的要求來確定，下面介紹一種三級保護方案:

可以在變壓器二次側設置第一級，其主要作用是泄放外線等產生的過電壓，起動電壓比較高，雷通量大；而各控制站PLC專用隔離變壓器前可以設置第二級，其主要作用是泄放配電線路所感應的過電壓、上級殘壓以及其它設備的操作過電壓，二級防護的電流量與起動電壓水平居中，需要注意的是一定要安裝隔離變壓器，其對于電磁干擾以及雷電波有著非常有效的抑制作用；三級防護則設置在PLC專用電源模板前，其主要作用是泄放前面的殘壓，完全可達到箝位輸出，響應速度快，殘壓也很低。

如果條件允許，自控系統的電源線盡量由總配電柜開始就單獨敷設，為防止雷電侵入波發生全反射，每級避雷設備盡可能不要與被保護設備距離太遠；根據系統的實際情況設定各級防護設施的起動電壓，不過最后一級盡可能達到箝位輸出。如果凈水廠自控系統采用了電子避雷設備，通常不會再受到過電壓損壞。

2 信號系統與天饋系統的防雷措施

通常總控站是控制與信息中心，也是凈水廠的生產監控與調度中心，該建筑物內集中了各種計算機通訊設備，還有各類儀器儀表，有些電臺與天饋線也在總控站內。這種建筑物在修建過程中會使用大量的金屬材料，比如鋁或者鐵等，因此相對其它建筑而言防雷要求更高，設置防雷措施的主要目的就是形成均壓等電位屏蔽。控制站所在建筑物不能僅僅安裝避雷針，要保證建筑安全還要設置避雷帶與避雷網，這是因為凈水廠往往位于空曠地勢，與水源相近，盡管建筑物高度不高，但也容易受到各種形式、不同方向的雷擊。假如建筑物內設置有控制站，則要保證其接低電阻控制在10歐內。有些設備裝設有通信鐵塔或者天饋線，則一定要設置避雷針，并且要在建筑物避雷網45度的范圍內。可以利用建筑物自身的鋼筋結構實現避雷針和通信鐵塔的接地，并且單獨敷設引下線引至建筑物的接地網。但是在建筑物修建過程中，無法絕對保證鋼筋的焊接質量符合設計要求，在受到雷擊時其均壓要求也無法得到保證，會導致建筑物中出現強磁場，因此不可只是單純的利用建筑物鋼筋結構接地，還要將建筑外墻以及建筑物所有為金屬材質的門窗連接到建筑物接地網的范圍。

由于雷電主要通過感應進入自控系統的，因此還要多設置幾條避雷設施的引下線，從而雷電電流的分流途徑就會更多，每條線上的泄放電流量均會減小，最終感應能量也相應的降低，還有一些室內的計算機和自控設備與避雷網導地金屬體的距離要盡可能遠些。

此外，凈水廠有些諸如一次儀表、攝像頭、天線以及傳感器等設備和儀表是露天設置的，針對這些設施，要將其置于有效防御直擊雷的保護范圍內，且防御感應雷的措施也是必不可少的；如果一些設備出于各種原因無法設置在避雷設施的防護范圍內，則要在設備上加設避雷針進行防護。

3 屏蔽與等電位的處理

在屏蔽的作用下，可以最大程度上防止雷電電磁脈沖侵害到自控系統設備。通常中央控制室與各個PLC子站都屬于框架式的建筑，所以建筑的梁、柱子會組成一個格柵屏蔽，該結構能夠有效的屏蔽建筑以外雷電所產生的電磁沖，則空間磁場就會有所衰減。采用金屬屏蔽線槽架設自控系統的布線，并且金屬線槽兩端也要進行接地處理，其接頭處進行跨接處理，其主要目的是防止自控線路之間產生互感電流，也可以避免線路的耦合；如果線路走線未采用金屬屏蔽線槽，則要在進入建筑物前15m處穿金屬管直埋，并且要保證兩頭接地良好，且電氣導通。在做好上述基礎措施后，再將控制室、各個PLC分站系統中的各類接地、室內零電位金屬導體通過粗導線全部連接到附近的匯流排，從而形成局部的等電位連接。入侵到自控系統內部的雷電流可以通過局部等電位連接所提供的低阻抗連續通道而進入大地泄放，這是由于各種金屬物連接成了一個統一的導電體，其內部所產生的電位差也不會太明顯，從而控制室以及子站的設備不會出現電位反擊，同時也不會出現對人身安全有危害的接觸電壓。由于未實現和建筑物防雷設備的等電位連接，所以電位差反擊的機率仍然存在，此時自控設備要盡可能遠離建筑物的金屬體，最好置于建筑物內中心位置。

4 合理接地

其實防雷的終極措施就是泄放，所以接地十分重要。通常凈水廠內的接地主要有三種，即建筑物接電、計算機自控系統接地以及配電系統與強電設備的接地，只有合理配置這三種接地，才能保證系統受到雷電侵襲時不會通過接地網而反擊自控系統。特別提出的是需要進行等電位連接，這樣就可以將雷電導致的毀壞性電位差徹底的消除。電源線、金屬管線以及信號線等均要進行等電位連接，可以通過過壓保護器實現，完成局部的等電位連接后再連接主等電位點。有些點沒有連接在一起，可以通過等電位火花隙相連接，如果處于正常狀態時，各自獨立，如果受到雷電侵襲則導通等電位火花隙，從而各接地系統的電位會同時升高，最終形成等電位。

5 防雷器的選擇安裝

防雷器性能的優劣直接影響到避雷效果，一個性能良好的防雷要具備切實的保護功能，且在應用過程中不可干擾到保護對象的正常工作，所以在防雷設備的選擇方面需要注意以下幾個事項:第一，防雷器的動作響應時間要盡可能夠短，其響應速度一定要比瞬態過電壓沖擊的速度要快，一旦出現浪涌就要快速啟動釋放掉浪涌的能力；通常雷電流的沖擊速度要用微秒甚至毫秒來計算，防雷器的響應速度要在納秒級內才能有效協防。第二，防雷器的容通量要盡可能大，因為泄放的電流越大，抵御電擊的能力就越強。第三，信號防雷器在線阻抗最好不要過大，這樣防雷器接入對接入回路信號衰減的影響就會降低，通常在線阻抗要小于10Ω，如果有特殊要求，則要小于5Ω。第四，防雷器的殘壓要盡可能低，把過電壓控制在安全范圍，從而降低儀器設備，特別是精密儀器、計算機設備受殘壓損害的機率。第五，有些線路用于傳輸頻率信號，此時要求防雷器要可以滿足正常信號的傳輸，其頻寬要足夠。第六，通常情況下如果線路上安裝防雷器的數量比較多，要注意電壓開關型防雷器和限壓型防雷器間的線路長度至少要大于10m，限壓型防雷器的間距至少要大于5m，如果實際施工過程中各類防雷器的間隔要求無法滿足，則要在中間加設退耦設備。第七，注意防雷器接口與受保護設備的兼容性，防雷器體積不可過大，且防雷器需要合理的裝設在合理的地方；如果同一個柜內需要裝設多個防雷器和退耦設備，則要保證柜內的散熱，并防止退耦裝置接頭的氧化升溫。

此外，防雷器正確的安裝方式也很重要，具體施工時需注意以下幾點:第一，要保證防雷器的接地性能良好，因此要保證通暢、可靠的防雷器接地泄放通道；第二，在防雷器信號與接地線連接時，要將其冗余部分盡量減少，特別是為了防止自身泄放電流形成電磁場對線路的正常工作產生影響，接地線盡量減少繞環布線；第三，如果防雷器需要設置在室外，則一定要安裝在電氣箱內，且電氣箱的防護等級需要達到IP65。為了保證防雷設備保持良好的工作狀態，要對其進行常態檢查，尤其有些防雷器帶有沖擊保險模塊，更要對其保險狀態進行檢查，如果發現損壞需及時更換，為便于直接檢查可以設置可視窗口。

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