淺談電氣與自動控制系統的防雷問題

曾宇

摘 要：自動控制系統的防雷問題近年受到越來越多的重視。隨著防雷意識的逐步提高，需要對目前行業中存在的各種不規范甚至錯誤的防雷方式、方法作出正確引導，才能真正起到防患于未然的有效作用。現就防雷體系中的幾項關鍵措施作出分析和說明。

關鍵詞：接地；等電位連接；電磁封鎖；浪涌保護器

隨著國民經濟的持續發展，電氣自動化控制系統不斷向多功能、復雜化、大型化的方向演變，各種電子設備及微電子設備得到廣泛應用，各種現場儀器儀表的精密度在不斷提高，此類設備一般工作電壓低、耐壓水平低、敏感性高、抗干擾能力低，因而極易受到雷電電流脈沖的危害，每年都會直接或間接地造成巨大的經濟損失。對企業而言，輕則導致儀表的損壞，重則使生產流程受到嚴重影響甚至癱瘓，直接影響整個企業的經濟利益。近年來，人們對于雷害的認識在不斷上升，在注意防范直擊雷的同時，更多的關注已經投入到如何有效防止感應雷造成的損害這一課題上。

1 雷電的成因及主要形式

根據大量科學測試可知，地球上存在一個帶正電的電離層，與大地之間形成一個已充電的電容器，場強為上正下負。當地面含水蒸汽的空氣受到地面烘烤受熱上升，或者溫暖潮濕的空氣與冷空氣相遇而被墊高都會產生向上的氣流。上升氣流溫度逐漸下降形成水成物（雨滴、冰雹），并由于地球靜電場的作用而被極化，負電荷在上，正電荷在下，它們受重力作用落下與云粒子發生碰撞，其結果是云粒子帶走了水成物前端的部分正電荷，從而使水成物帶上負電。持續碰撞的結果使帶正電的云粒子在云的上部，而帶負電荷的水成物在云的下部。

當電場強度達到足夠高（25～30kV/cm）時將引起雷云間的強烈放電，或是雷云中的內部放電，或是雷云對地放電，即所謂的雷電。雷電按其作用形式主要分為直擊雷和感應雷。直擊雷所造成的危害很直觀，一般會引起火災、燃燒等。主要靠加裝避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網等來防護。感應雷沒有直擊雷那么猛烈，但它發生的幾率比直擊雷高得多。不論是雷云間閃擊或雷云對地閃擊，都有可能發生感應雷而形成電磁場，當磁場強度到達一定水平將會對電氣設備的集成電路造成暫時的、甚至永久性的損壞，影響電子設備的穩定性，令通訊設備的傳輸信號失真等。因此對于自動控制系統而言，更應該關注如何有效防止感應雷，避免（減少）感應雷引起的損害。

2 瞬間過電壓對電子設備的危害

瞬間過電壓使電子設備訊號或數據的傳輸與存儲都受到干擾甚至丟失，致使電子設備產生誤動作或暫時癱瘓重復影響會降低電子設備壽命甚至立即燒毀元器件及設備。這一切都會給生產和工作帶來較大損失。

3 自動控制系統的防雷及防電涌保護

3.1 合理接地

防雷工程的關鍵在于接地，長久以來的觀點認為接地關鍵在于接地電阻的大小，接地電阻值越小，對雷電流的泄放能力就越強，被雷擊物高電位保持時間越短，因此危險性也就越小。防雷的最終措施是“泄放”，因而對“接地”切不可輕心。接地主要有建筑物接地、配電系統及強電設備接地、計算機自控系統接地。如這三種接地配置不合理，極易在雷擊時通過接地網對自控系統造成雷擊。

計算機自控系統是一個特殊用電系統，其接地電阻應達到的標準系統工作地（小于4Ω），直流工作地（信號屏蔽地、邏輯地等小于2Ω），安全保護地（小于4Ω）。地網分開設置時應注意避免地網之間的閃絡。雷擊時，會在地網及附近導體中產生很高電位。所以，地網之間的距離當涉及自控系統接地時應大于10m。在接地線引入室內時，若與其他地網距離太近，可局部采取既絕緣又屏蔽的措施。

3.2 電磁封鎖

中國一直以來對儀表線纜的敷設有過不少的行業標準，但較少顧及防雷的問題。原則上要求單端接地，另一端懸空。這是為了防止因地電位差產生的靜電感應（電容性耦合）會對儀表傳輸信號產生噪聲和干擾，以致傳輸信號失真。但是對于防雷工程來說，單端接地是不能預防電感性耦合產生的電磁干擾，更阻擋不了雷電波的侵入。這就提出一個問題，如何在保證檢測信號不受損害的情況下有效地防雷？應采用有絕緣隔開的雙層屏蔽，外屏蔽層應至少在兩端做等電位連接。這一條規定很好地詮釋了兩者之間看似矛盾的概念。

雷擊時，由于電磁感應在導體附近產生一干擾磁場；外屏蔽層與地之間，或與其他同樣做了等電位連接的導體之間構成環路，感應出一電流。根據右手螺旋定則，該感應電流產生的磁場將抵消（或部分抵消）掉源干擾磁場的磁通，從而抑制（或部分抑制）無外屏蔽層時由于電感耦合而產生的電壓，防止雷電波的入侵。

實現雙層屏蔽，應采用鎧裝電纜或帶金屬屏蔽層的電纜，穿金屬保護管埋地（或架空）敷設，并保證兩端可靠接地。在進出建筑物、管道交叉、分支處均應可靠接地，對于長直管道，應每隔25～30m接地一次，防止因距離過長引起的地電位差變化幅度過大。

3.3 合理安裝SPD

SPD的作用是把因雷電感應而竄入電力線、信號傳輸線的瞬態過電壓限制在一定的范圍內，保證用電設備不被擊穿。加裝SPD可把電器設備實際承受的電壓限制在允許范圍內，以起到保護設備的作用。

根據被保護的設備供電系統類型和電源電壓，選擇不同防護結構的SPD。檢驗其限流能力的標準是使用10/350μs與8/20μs的雷電流波形。前者是指閃電直接擊在建筑物附近，以及閃電直接擊在引入建筑物的電源線路上或該段電源線路附近時使用的波形；后者是檢驗雷電電磁脈沖使用的波形。

根據被保護的設備、SPD安裝處雷擊情況及所在的防雷區域，應該在各防雷分區處分級安裝SPD，逐步減少瞬態浪涌電流/電壓值，最后1級將浪涌電壓限制在設備能安全承受的范圍內。第1級SPD應盡量靠近建筑物電源進線處，Imax（最大放電電流）應大于100kA（8/20μs），殘壓限制在1.5～1.8kV；第2級SPD應盡量靠近被保護設備，Imax應大于40kA（8/20μs），殘壓限制在0.9～1.2kV；第3級SPD盡量靠近被保護設備，Imax應大于15kA（8/20μs），殘壓限制在0.1～0.4kV。一般電子元件都可以承受2倍其額定電壓以上的瞬時過電壓，通過這三級對浪涌電流的泄放以及限壓，最后加載在設備上的過電壓一般都不會對設備造成影響。

對于自動控制系統的防雷，主要是指第2，3級的防雷。控制室一般都會作等電位連接，為防強磁場干擾，部分控制室更會以金屬格柵或鋼筋圍繞，形成一個法拉第籠。在進出控制室處（即雷電防護區LPZ分區處）的線路上安裝SPD，以防止浪涌電流進入控制室。DCS，PLC等設備與現場儀表之間，儀表設備配電盤之前，均應安裝SPD，所有儀表供電應引自同一個受到SPD保護的配電盤。相比之下，室外儀表更易受到雷擊時的電磁干擾，尤其對于建在無遮擋的野外的大型庫區、水處理場等工業設施，儀表重要性較高，需連續生產，不易更換，因此應加裝SPD。

4 結束語

近年來關于防雷工程的各種書藉、雜志紛紛涌現，相應的行業規范、標準也在不斷更新。對于防雷工程的方式方法要在實踐中繼續摸索前進，結合現有理論使防雷工作不斷完善！踏前人之基石，創后世之豐碑！

參考文獻

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