電廠儀控系統接地防雷研究與探討

孫永行

摘要：目前隨著在運電廠逐年增多，遭受雷擊引發生產事故現象多有發生。雷擊通過引入強電流，對設施供電及控制系統影響較大，波及范圍廣，造成破壞嚴重。隨著科學技術水平的提升，對戶外設施防雷技術的研究逐漸成熟，本文通過對電纜不同的接地端接方式防雷原理的研究，提出防雷方案及SPD浪涌保護器布置的建議方案，以期對后續電廠防雷設計方面提供參考。

關鍵詞：防雷;儀控系統;SPD浪涌保護器

1屏蔽層兩端接地的防雷原理

1.1屏蔽層兩端接地且兩端等電位

當屏蔽層兩端接地時，屏蔽層形成了一個閉合回路，雷擊時產生的瞬間磁場（原磁場）會在屏蔽層回路和電纜內的芯線回路內分別產生感應電流Is和Ie。這兩個電流是同相的。屏蔽層將電纜內的芯線全部包繞，故其回路電流Is又會產生二次磁場，于是在電纜內的芯線回路上又會感應出二次電流Isc，Isc和Ie的相位角相差約180°。因此，Isc和Ie近于抵消。此為屏蔽層兩端接地的屏蔽原理。實踐證明它對抑制發生在電纜鄰近區域內的電磁感應是很有效用的。

二次電流Isc能否抵消一次電流Ie取決于屏蔽層的阻抗，為了取得良好的屏蔽效果，屏蔽層宜每隔30米設一個接地點，接地點與接地點之間的距離愈短，屏蔽效果愈好，直至將屏蔽層埋地（或將電纜穿金屬管埋地），屏蔽效果最好。

1.2屏蔽層兩端接地但兩端不等電位

當屏蔽層兩端接地點之間存在著很大的共模電壓（地電位差）時，會在屏蔽層里形成一個很大的附加電流If，該電流的方向取決于地電位差的方向。

如其中一個接地端位于接地引下線處，設雷電流為100kA，接地電阻為1歐，因雷電流系電流源，故該地電位將升高100kV;假如屏蔽層另一個接地點的電位為0v，則該地電位差會在屏蔽層里產生很大的附加電流If，由附加電流If在芯線回路內產生的感應電流足能將設備損壞。

此為雷擊造成設備損壞的主要原因。

2實施方案設想

通過對電纜屏蔽層接地方式探討，并采用目前較為成熟的SPD浪涌保護器進行保護。在戶外儀器儀表端及室內信號采集柜間增加防雷裝置，將室外電纜的屏蔽層由兩端接地改為單端接地，接地點位于室內信號采集機柜側;中間采用SPD浪涌保護器進行信號轉接。

浪涌保護裝置的作用有兩個：

（1）泄流。把入侵的雷電流分流入地，讓雷電的大部分能量泄入大地，使雷電電磁脈沖無法達到或僅極少部分到達電子設備;

（2）限壓，在雷電過電壓通過電源線入戶時，在浪涌保護器兩端保持一定的電壓（殘壓），而這個限壓又是電子設備所能接受的。這兩個功能同時作用，即在分流過程中達到限壓，使電子設備受到保護。

2.1方案評估

1、將外部信號電纜的屏蔽層由兩端接地改為一端接地，改變了電纜的屏蔽功能，即兩端接地是抑制電感性（磁場）偶合，一端接地是抑制電容性（電場）偶合。在雷擊時，電容性耦合與電感性偶合同時存在，但電感性偶合的威脅更大。建議在電纜外部敷設進入室內前至少15m的地方穿金屬管埋地敷設，可更好的抑制電感性耦合。

2、在機柜側設置防雷裝置，可以抑制由于雷擊在電纜中造成的雷電波（包括過電壓與過電流），從而保護柜內的設備。

2.2浪涌保護器（SPD）的參數選擇

1、最大持續運行電壓指“允許持續施加于SPD端子間的最大電壓，而此時SPD不動作”。所以，Ue的選擇應按信號采集直流電源可能出現的最大值考慮。如直流電源電壓可能出現的最大值小于28V，則可按中科華Ue的選擇考慮。

2、防雷裝置中應設置兩個熱敏電阻以保護直流電源。該熱敏電阻的阻值再疊加接受端的信號轉換電阻后，應處于儀器儀表的驅動能力范圍內。

3、對保護24VDC工作電壓的儀表或卡件，SPD的電壓保護水平Up-般應小于60V，即Up加上SPD兩端引線上的感應電壓（總稱“殘壓”）應小于被保護儀表端口所能承受電壓的0.8。

4、SPD的響應時間應小于5u。

2.3浪涌保護器（SPD）的安裝要求

SPD的安裝應注意如下兩點：

◆SPD應安裝在被保護設備的前端，并與其它電氣設備保持一定的距離。

◆導線連接的SPD其兩端連線的總長度不宜超過0.5m。

之所以規定兩端連接線長度不宜超過0.5m，可降低雷電流通過引線上的時間，從而提高SPD的保護安全性能。因為電纜介質存在著分布電容和分布電感。按行波理論，雷電流在電纜中的傳輸速度一般認為是空氣中光速的二分之一，即1.5×108m/s。在該速度下，雷電流通過0.5m長導線的時間可達3.4ns，故連接線太長將影響SPD的響應時間。

另外該布置可減小線路殘壓。

3方案推薦

根據分析，最優方案為將外部信號電纜的屏蔽層由兩端接地改為在信號采集機柜側接地，并在外部電纜進入室內前至少大于15m的地方穿金屬管埋地敷設;并在機柜側以及信號采集儀器儀表側均設置浪涌保護器（SPD）。

因防雷裝置為墻掛式，裝設在信號采集機柜外，故必須要滿足《GB50343建筑物電子信息系統防雷技術規范》第5.4.3規定：“浪涌保護器連接導線應平直，其長度不宜大于0.5m”。

為考慮保護室外現場的信號采集儀器儀表，也應在信號采集儀器儀表側設置浪涌保護器（SPD）。

4技術延展

雷擊事故是低概率事件，也許還有許多雷害隱患未暴露，故建議對電廠進行雷電風險評估，除了進行現場測試和計算外，應查找還存在的雷害隱患。

另可增設電廠雷電預警系統以確保整個廠區的安全，整個場區僅需設置一套雷電預警系統即可。

所謂雷電預警系統是在雷擊發生前的10-30分鐘左右發出警告信號，提請并告知相關人員采取適當的防雷措施，以防止重大防雷事故的發生。其基本原理是監測雷云產生的靜電電場強度的變化來預測是否即將有雷擊發生。

每個預測探頭的報警范圍可以遠達3km。

該系統可以實現以下功能：

1.通過雷電預警功能模塊，實現雷暴的提前預報，可以根據自身需求，調整設備運行狀態和切換供電電源（如斷開市電，采用UPS供電）;

2.通過數據庫累積，可在運行一定時間后，找出防雷措施的側重點，如需要重點保護的區域或重點保護的設備;

3.通過雷擊計數模塊指示，可在必要的次數后對浪涌保護器進行老化檢測并及時更換，可以讓防雷保護從不間斷;

4.雷電預警數據可接入到全廠的信息化管理系統，提供精細化管理數據，也可以接入過程監控系統。