淺淡凈水廠通信總線的防雷保護

莫國禮

摘 要：本文以廣州市凈水有限公司大沙地分公司現場通訊總線防雷整改為例介紹一種多級防雷保護措施在生產通信上的應用，以期達到分享交流目的。

關鍵詞：通信總線; 防雷保護; GDT

現場總線是順應智能現場儀表而發展起來的一種開放型的數字通信技術，其發展的初衷是用數字通信代替一對一的I/O連接方式，把數字通信網絡延伸到工業過程現場。根據IEC和美國儀表協會ISA的定義，現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，它的關鍵標志是能支持雙向、多節點、總線式的全數字通信。但是伴隨著使用頻率的增高，其遇到的問題也日益增加。例如，日常生活中雷電和靜電干擾已經成為通信總線在實際工程經常遇到的問題。故如何對芯片以及總線進行有效的保護，是擺在每一個使用者面前的一個問題。以下，筆者結合廣州市凈水有限公司大沙地分公司現場通信總線使用過程遇到的故障及修復整改來談談防雷保護經驗。

1 現場總線的概況

1.1 自控系統介紹

廣州市凈水有限公司大沙地分公司的自控系統是采用Rockwell公司的人機界面軟件RSView來開發的，其監控范圍包括：進水泵房、沉砂池、反應池、二沉池、清毒池、鼓風機房、脫水機房。上述各個儀表通過 PROFIBUS – DP與各個分站通信，交換數據。

1.2 周邊雷電環境及其對通信總線的影響

分公司位于黃埔貨運碼頭和文沖船廠之間，其中兩條65萬伏的過江高壓線橫跨廠區，并且在鼓風機房、出水儀表設備附近安裝有中國移動、中聯通的通信基站（通信基站建設對周邊雷電環境的影響已有其它論文論述，本文略）

PROFIBUS – DP總線實行長距離傳輸（1200米以上），而且其傳輸線通常暴露于戶外，因此極易因為雷擊等原因引入過電壓。另外，總線收發器工作電壓較低（5V左右），其本身耐壓也非常低（-7V～+12V），一旦過壓引入，就會擊穿損壞，再有強烈的浪涌能量出現時，甚至可以看到收發器爆裂，線路板焦糊的現象。

1.3 現場總線受雷電影響的情況

我分公司的現場通信總線電磁環境復雜，特別是中國移動、中聯通的通信基站投入使用后令電磁環境更加惡劣，導致鼓風機房、出水儀表設備附近成為雷擊的重災區。如：2016年發生的一次雷擊，就造成了出水流量計、中水流量計、通信中繼器、通信模塊等設備的損壞，直接的經濟損失就超過25萬。因此，雷擊現象對我分公司的現場通信影響是巨大的，防雷保護必不可少。

2 通信總線防雷設置

2.1 通信總線防雷保護器的基本要求

在正常運行時，雷電保護器的接入應不影響信號的正常傳輸，雷電保護器的對地阻抗應非常大，串連在電路中的阻抗應非常小，在雷電襲擊通信總線時，雷電保護器應發揮良好的電壓鉗位作用，其鉗位電壓應低于后端控制芯片或其它電器件的耐受電壓水平。在抑制雷電襲擊過程中，雷電保護器自身應完好無損，雷電保護器對雷電襲擊應具有足夠快的響應速度。

2.2 防雷保護器的原理

總線的防雷保護器的原理：當雷擊發生時，感應過電壓由兩端引入，GDT做一級防護，此時過電壓被大大削弱到數百伏左右，再經過PPTC限浪，TVS做二次限壓，使到后端電路的電壓被箝制在8V左右，從而實現對后端電路的保護。TVS2/3做共模保護，TVS1做差模保護。

2.3 整改前的防雷設置

大沙地分公司的現場通信總線設計有基本的防雷保護保護措施，對室外分散儀表的防雷保護則靠建筑物的防雷帶給予保護。

2.4 室外分散儀表的防雷整改

因為原有室外分散儀表未作單獨的防雷保護，為保證室外分散儀表免受雷擊影響，需安裝必要的防雷保護保護措施。為此加裝一般位置通信總線的防雷保護，即在儀表端增加防雷保護器。其優點是結構簡單、經濟方便、安裝容易對信號的衰減影響最小。缺點是防雷保護能力一般，不能承受大的雷擊能量。故該方案只能針對雷電環境一般的通信總線，而對我廠的雷電重災區則明顯不足。

2.5? 雷電重災區防雷保護保護措施

2.5.1 多級防雷保護及其通信形式的整改

防雷保護器中的陶瓷放電管GDT能承受大量的雷擊，但不可能一次將雷擊電壓鉗制在通信收發器耐壓可承受的范圍內，故對我廠的雷電重災區要采用多級防雷保護措施。

該通信形式有如下特點：

在通信總線長度的適當位置加裝防雷地極增強防護效果，共加裝兩條。地極的要符合要求。一般防雷地極都要可靠的連接至大地，且接地電阻不能超過10歐。可靠的接地可以大大提高防護效果，而不良的接地也會大大消弱防護效果。

為改善增加防雷保護器造成通信信號的衰減在通信總線適當位置加裝西門子通信中繼器，利用通信中繼器信號放大功能，有效改善通信能力和穩定性。同時通信中繼器和兩只防雷保護器串聯利用陶瓷放電GDT和TVS的保護把總線電壓鉗制在通信收發器耐壓可承受的范圍內。

在重要的儀表和通信分站的入口端加裝一個自制的雷擊自動熔斷器加以保護。

為驗證通信形式防雷保護的防護效果，可在通信分站的入口端的雷擊自動熔斷器泄壓地極加裝一個雷擊計數器

2.5.2 DIY雷擊自動熔斷器的原理

雷擊自動熔斷器的原理如圖1所示，當普通能量的雷擊發生時，感應過電壓由A、B兩端引入，第一級的GDT被擊穿，向地極放電，此時過電壓被大大削弱到數百伏左右，再經過PPTC限浪，TVS做二次限壓，把總線電壓鉗制在通信收發器耐壓可承受的范圍內。但當巨大能量的雷擊發生或出現短時反復的雷擊，第一級的保護失效或不能把總線電壓鉗制在通信收發器耐壓可承受的范圍時，過電壓經過FU（電子快速動作熔斷器）擊穿第二級的GDT向地極放電，電流超過電子快速動作熔斷器的限值，電子快速動作熔斷器動作熔斷，從而切斷過電壓的通道，實現對后端電路和設備的保護。

（1）保護等級：

可通過IEC61000-4-5，4級標準。

（2）主要器件選擇

GDT： 3SPC090F

PPTC： MSM020

TVS： SMBJ10CA

FU：電子快速動作熔斷器 TDC600

2.6 整改后通信總線的防雷效果

雷擊計數器是一個用電流互感器檢測從GDT向地極釋放電流大于1KA即加1的計數器。為驗證通信形式防雷保護的防護效果，在通信分站的入口端的雷擊自動熔斷器泄壓地極加裝一個雷擊計數器。從安裝至今共運行了兩年多，雷擊計數器顯示，該通信總線至少受到74次的雷擊，而沒有損壞任何的設備，且通信穩定抗干擾能力強，連續無故障運行大于200天。

3 結束語

雷電能夠使各種通信總線構成的系統遭到毀壞，嚴重地影響通信總線的數據傳輸質量，因此對通信總線及各種儀表通信都需作必要的防雷保護措施，以免導致傳輸數據的失效。另外，對總線布線亂，與動力線同槽，接地混亂等現象是多數廠共有的缺點，筆者在總線的維修過中，發現多數的總線通信故障與干擾，甚至雷擊都與這些缺點有關，故規范總線的布線，是減少通信故障與干擾的首要條件。

參考文獻：

[1]通信基站建設對周邊雷電環境的影響分析及防護措施? 《山東師范大學學報：自然科學版》2011年 第1期 | 馬守強 高曉梅

[2]現場總線技術工業以太網及其應用技術? ?機械工業出版社? ?李正軍

[3]防雷與接地技術概論? ?華南理工大學出版社? 劉剛

（廣州市凈水有限公司大沙地分公司， 廣東 廣州 510000）