水廠自動化系統防雷保護工程的設計

潘　冰，冉丹婷，王庚平

（1.甘肅省膜科學技術研究院，甘肅 蘭州730020；2.蘭州資源環境職業技術學院，甘肅蘭州730020）

?

水廠自動化系統防雷保護工程的設計

潘冰1，冉丹婷2，王庚平1

（1.甘肅省膜科學技術研究院，甘肅 蘭州730020；2.蘭州資源環境職業技術學院，甘肅蘭州730020）

摘要：近年來隨著自動化技術的不斷發展，我國的許多自來水廠均將先進的自動化技術大量運用在水廠管控系統的升級換代上。目前水廠的自動化控制系統普遍采用由工業計算機IPC和PLC組成的集數據采集、過程控制和信息傳送于一體的監控網絡。但是由于此類設備承受瞬間過電壓的能力較弱，因此雷擊經常致使設備損壞從而導致整套系統癱瘓。結合華亭縣安口水廠自動化系統防雷保護工程的設計，為水廠自動化系統如何防止瞬間過電壓侵害提供實際參考。

關鍵詞：水廠自動化系統；防雷保護設計；防雷接地保護

1　概述

安口自來水廠位于甘肅省平涼市華亭縣，主要擔負著華亭縣安口鎮以及周邊鄉鎮人口的生產生活供水。水廠在廠區東北側的山麓頂部建設有一座大型高位蓄水池，水池水位的高低由安裝于水池內的液位變送器檢測，通過電纜將液位信號傳送至山腳下的水廠控制室，再通過二次儀表顯示，工作人員可以根據水池水位的高低由廠內供水泵將經過處理后的合格自來水提灌至高位蓄水池內，再通過自流由管道輸送至各用水點。

由于安口水廠所在的地區屬于多雨山區，且高位蓄水池位于距水廠500m附近的山麓最高點，水池液位監測系統多次遭受雷擊破壞。最嚴重的一次，雷雨天氣致使水廠供配電設備損壞和控制系統癱瘓，造成較大的經濟損失。分析原因，主要是因為防雷設施不健全，水廠控制室和高位蓄水池沒有接地網；其次，由于液位信號采用電纜明線傳輸，又沒有二級防雷措施，更容易造成雷擊災害。有鑒于此，2010年，安口自來水廠對水廠老舊的供電設施及控制系統進行自動化升級改造，同時實施了防雷保護工程。

2　水廠自動化系統改造

2.1計算機監控系統

監控中心（原控制室）采用由上位機和PLC組成的集散監控模式，水廠內所有需要監視控制的設備，如供水泵、加藥泵、電動閥等均接入PLC控制柜。管理人員可以隨時在上位機對上述設備進行遠程開啟、遠程關閉等操作。同時，管道流量、管網壓力、濁度等供水系統重要的運行參數均采集到監控系統中，經過數據處理后直觀的顯示在電腦上，管理人員可以根據系統實時運行參數隨時調整運行設備，達到穩定高效的運行效果。除此之外，監控設備出現過載、超壓等故障時，上位機控制界面會以中文形式報警，提醒操作人員及時排除故障，保證系統正常運行。

2.2高位蓄水池液位信號無線遠傳

考慮的改造成本和施工難度，同時為了徹底解決液位信號采用電纜明線傳輸易遭受雷擊的安全隱患，高位蓄水池的液位信號傳輸采用無線傳輸的技術，分別在山底水廠監控中心和山頂高位蓄水池控制子站安裝數傳電臺，通過數傳電臺將液位變送器采集到的水位信號，采用無線方式遠傳到監控中心PLC柜內。上位機通過RS485通訊，將水位信號從PLC內讀取到上位機組態系統中，實現水池水位的即時監測。同時，自動化系統可以根據水池水位的高低自動啟停供水泵為水池補水，極大地降低了管理人員的工作強度。

3　水廠自動化系統防雷保護設計

防雷保護系統如圖1所示，因為水廠自動化系統的除無線通訊天線外其他控制設備均置于建筑物之中，故會對自動化系統造成破壞的方式有直擊雷和雷電波入侵兩種，首先該水廠山頂控制子站和山下監控中心所在構筑物房頂裝有數傳天線，并未采取防雷保護措施，有遭受直擊雷的風險。其次由于整套系統中所有網絡線、電源線等雖敷設于電纜溝中擔仍然存在雷電波侵入風險。造成雷擊風險原因主要有以下兩點：一是雷電波通過信號線、天線饋線、電源線和通訊線侵入，分別導致自動化設備的電源模塊、通訊模塊、I/O模塊的損壞；二是雷電造成地電位反擊危害，因接地不良，或未做共用接地，使雷擊造成的高的地電位沿接地線損壞自動化設備從而影響系統的正常運行。故整套系統的防雷保護必須從配電系統防雷保護、自控系統線路防雷保護以及建筑物防雷接地保護三方面著手。

圖1　防雷保護系統圖

3.1配電系統防雷保護

水廠在高壓、低壓進線端需安裝有符合classⅠ級分類試驗的電涌保護器，能夠直接承受超大雷電流沖擊，并起到限制過電壓和分流電涌電流的作用，對整個廠區的供配電系統進行第一級防護。但是由于負責給自控設備供電的配電裝置耐過壓能力低，同時，第一級避雷器的啟動電壓高而且有些有較大的分散電容，因此在第二級即控制室PLC的專用隔離變壓器前安裝有符合classⅡ級分類試驗的電涌保護器，主要泄放第一級的殘壓、配電線路上感應出的過電壓以及其他用電設備的操作過電壓；末級在PLC的專用電源模塊進線側安裝限壓型mov電涌保護器模塊，繼續泄放殘壓，使之達到設備可承受的箝位輸出。

除此之外，自控系統的所有電源線均采用單獨布排，各級的避雷裝置在設計和安裝時盡可能的靠近被保護裝置，以上舉措對于防止雷電波入侵發生全反射都有較好的效果。

3.2自控系統線路防雷保護

自控系統中上位機和PLC的通訊采用RS485。通過特制的屏蔽雙繞線實現數據交換。雙繞線敷設方式為電纜溝單獨敷設，發生雷擊時雷電在此處形成的感應電壓約為1-2KV。由于RS485的供電電壓通常為2-6V，所以雷擊造成的感應電壓極易對計算機和PLC的通訊接口造成損壞。由于上位機和PLC的通訊在整套系統里屬于人機交互最重要的環節，因此在設計時屬于重點防護對象。此類系統避雷器件的選擇不同于配電系統，不能選擇常規氧化物避雷器。因為此類器件分布電容大，對高頻的損耗較大。因此設計采用專用于信息控制系統的信號型避雷器，該類展品插入損耗低，可以有效防止信號反射現象。

水廠監控中心與山頂高位蓄水池監控子站間為無線通訊，對天饋的防雷主要是選用同軸電纜避雷器。同時加裝避雷針，避雷針采用高效防腐銅棒做獨立接地體。接地引入線長度小于15m，選用40mm×4mm鍍鋅扁鋼，同時作防腐、絕緣處理。

3.3控制室防雷接地保護

水廠監控中心是控制和信息中心，同時也是全廠生產監控和調度的中心。因此其雷電防護顯得尤為重要。盡管監控中心所在構筑物高度較低，但是地處空曠且臨近水源。所以極易遭受各方向的各種形式的雷擊，且屋頂架設有無線通訊天線。因此防雷的措施主要為以下兩點：

3.3.1安裝避雷針

水廠中控室所在構筑物已有避雷網。設計時僅對通訊天線加裝避雷針，并使天線位于避雷針的保護范圍以內（保護范圍按滾球法確定為），避雷針的接地除用建筑物內鋼筋結構接地以外，還單獨設置接地體。接地體采用高效防腐銅棒做獨立接地體。銅棒埋深頂端距離地面大于0.7m。

圖2　接地設計

3.3.2接地設計

各車間的儀表、控制設備先在PLC站設立一個接地網，有水平接地體、垂直接地體、接入引入線、接地匯集線等組成1圈或2圈環形接地裝置，然后用接地帶將各接地網聯接，實現等電位連接。設計如圖2所示，經檢驗，接地電阻

值符合防雷的國家規范要求。

4　結束語

華亭縣安口水廠自動化系統防雷保護工程于2011年10月按照設計和標準規范完成安裝調試工作后，經檢測所有接地網的接地阻值均小于4Ω。該防雷工程自投用至今，所有設備運行正常，再也沒有遭受雷擊的影響，保證了水廠自動化系統的穩定運行。運行結果表明水廠的自動化系統防雷，不應僅注重防雷器件的選擇，還應注意防雷和接地的綜合設計。規范的接地對防雷保護方案起到至關重要的作用，只有設計合適的線纜布放、屏蔽及接地方式，才能將安全隱患降到最低。

參考文獻：

[1]GB50057-2010[S].建筑物防雷設計規范.

[2]GB5017493[S].電子計算機機房設計規范.

[3]羅文洛.水廠自控系統防雷.電氣時代[J].2003（3）.

中圖分類號：TM862