防雷技術(shù)在水廠自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊時

摘 要:結(jié)合水廠防雷工程的實(shí)施,探討了針對水廠自動化控制系統(tǒng)的防雷技術(shù),包括避雷裝置,接地設(shè)計(jì),自控設(shè)備及線路的雷電防護(hù)。

關(guān)鍵詞:防雷技術(shù)水廠自動控制

中圖分類號:TP393.11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0002-02

隨著供水量的增加和自動化水平的不斷提高,供水系統(tǒng)中已使用了相當(dāng)數(shù)量的計(jì)算機(jī)、RTU和其他微電子設(shè)備。目前水廠的自動化控制普遍采用由工業(yè)計(jì)算機(jī)IPC或可編程控器PLC組成的集數(shù)據(jù)采集、過程控制和信息傳送于一體的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。通過中控室的上位機(jī)監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的工作狀況及調(diào)整運(yùn)行參數(shù),需要將上位機(jī)和現(xiàn)場的各個執(zhí)行單元連接起來構(gòu)成一個密集而龐大的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而自動完成全部生產(chǎn)運(yùn)行。由于這些設(shè)備大量采用高度集成化的CMOS電路和CPU單元,其對瞬間過電壓的承受能力大幅降低,成為水廠受雷電損害的主要設(shè)備。這就需要一種合理的工程保護(hù)方式,既要防護(hù)直擊雷,又要防護(hù)雷電電磁脈沖,即綜合防雷工程。

1現(xiàn)代防雷技術(shù)

現(xiàn)代防雷技術(shù)要求實(shí)施系統(tǒng)防雷工程。IEC/TC-81(國際電工委員會第81防雷小組)的技術(shù)定義將現(xiàn)代防雷工作總結(jié)為:DBSE技術(shù),即分流(Dividing)、均壓(Bonding)、屏蔽(Shielding)、接地(Earthing),如果將這四項(xiàng)技術(shù)加之綜合,成為有效的防護(hù)設(shè)備,以實(shí)現(xiàn)立體化、全方位的防雷目的。

2雷擊瞬間過電壓危害

電子設(shè)備數(shù)據(jù)或訊號的存儲與傳輸都有可能受到瞬間過電壓的干擾而引起丟失,導(dǎo)致電子設(shè)備暫時癱瘓或誤動作;如果反復(fù)的對其產(chǎn)生影響則會降低電子設(shè)備的使用壽命,嚴(yán)重時可能造成元器件及設(shè)備燒毀,這些都將對工作和生產(chǎn)生活造成影響。一般來說都將水廠自動化系統(tǒng)的控制站設(shè)于構(gòu)筑物內(nèi),在電纜溝中鋪設(shè)電源線、網(wǎng)絡(luò)線,所以受到直接雷是不太可能的,對其防護(hù)的重點(diǎn)主要是感應(yīng)雷。有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,在計(jì)算機(jī)類設(shè)備雷擊事故的原因中感應(yīng)雷侵入占到85%,雷電波侵入主要通過信號線、天線饋線、電源線和通訊線侵入,并分別導(dǎo)致I/O模板、通訊模板、電源模板的損壞。

依照瞬間過電壓的危害、產(chǎn)生途徑和大量應(yīng)用高集成CMOS電路的自控系統(tǒng)以及CPU單元及集監(jiān)測、通訊、控制為一體且分散的特點(diǎn),我們認(rèn)為對自控系統(tǒng)要盡可能降低雷電帶來的損失,就必須采取系統(tǒng)的、綜合的防雷措施。特別應(yīng)從對外部直擊雷的侵襲以及從電源、信號線入侵的感應(yīng)雷電流及過電壓進(jìn)行瀉放和攔截為手段,并以接地系統(tǒng)、線路浪涌攔截,線路屏蔽、等電位聯(lián)結(jié)等措施來提高水廠自動化控制系統(tǒng)的雷電防護(hù)能力,從而形成一個多層次完整的防護(hù)系統(tǒng)。

3防雷技術(shù)在水廠自控系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 接地

要實(shí)現(xiàn)防雷目的最根本的措施是“泄放”,因而對“接地”且不可掉以輕心。在廠內(nèi)的接地一般要有計(jì)算機(jī)自控系統(tǒng)接地、強(qiáng)電設(shè)備及配電系統(tǒng)接地、構(gòu)筑物接地。如不能合理配置這三種接地,極有可能在遭受雷擊時,自控系統(tǒng)會被來自接地網(wǎng)的反擊。

對于計(jì)算機(jī)自控系統(tǒng)這樣一個特殊的用電系統(tǒng),可以采取下面的幾種接地方式:安全保護(hù)地(<4Ω),直流工作地(邏輯地、信號屏蔽地等<2Ω),系統(tǒng)工作地(<4Ω)。在對設(shè)備進(jìn)行安裝時,是難以將他們分開的(由其是對PLC系統(tǒng)),采用聯(lián)合接地方式,可能是最好的。接地電阻至少要<2Ω。目前一般都將水廠的三大接地網(wǎng)分別鋪設(shè)。雖然部分聯(lián)合接地方式也有采用,但在分開設(shè)置在水廠中還是比較好的選擇,主要因?yàn)橐韵聨c(diǎn)。

(1)在修建時水廠里的建筑物大部分都未對計(jì)算機(jī)等弱電設(shè)備加以考慮,且本身其設(shè)備地和接閃地已分別鋪設(shè)。

(2)在水廠內(nèi),在給普通用電設(shè)備供電的高、低壓配電系統(tǒng)中,一般都采用一個接地系統(tǒng),在雷擊和運(yùn)行時,由于用電的復(fù)雜性,通常零線電流不為零(Id)。如采用聯(lián)合接地時(Rd),計(jì)算機(jī)接地電位必然被抬高到Id Rd,因此有可能導(dǎo)致反擊的產(chǎn)生。

(3)應(yīng)注意避免在地網(wǎng)分開鋪設(shè)時,地網(wǎng)之間產(chǎn)生的閃絡(luò)。當(dāng)遭受雷擊時,地網(wǎng)及附近導(dǎo)體中會感應(yīng)出很高的電位,如果將地網(wǎng)分開,則可能導(dǎo)致接地體向其它的接地體閃絡(luò)。所以,當(dāng)涉及自控系統(tǒng)接地時,地網(wǎng)之間的距離SK應(yīng)大于10m。

3.2 等電位聯(lián)結(jié)

為使自控系統(tǒng)機(jī)房內(nèi)防雷區(qū)交接界面處做好等電位聯(lián)結(jié),應(yīng)將建筑物自控系統(tǒng)機(jī)房內(nèi)各種金屬部件用接地線聯(lián)結(jié),以改善機(jī)房內(nèi)的電磁環(huán)境。等電位聯(lián)結(jié)是用連接導(dǎo)線,把自控系統(tǒng)機(jī)房內(nèi)的各種設(shè)備以及導(dǎo)電體、金屬線槽等與建筑物的綜合接地系統(tǒng)相連接,把不同暫態(tài)過電壓區(qū)域之間所形成的暫態(tài)電位差消除掉,使之構(gòu)成電氣上的等電位聯(lián)結(jié)整體。

另外,在界面處,將所有穿過防雷區(qū)界面的導(dǎo)電物、屏蔽層、信號SPD或者通信線的屏蔽層做局部等電位聯(lián)結(jié)。出入機(jī)房的電力線,通信線等在不同位置時,應(yīng)該就近連到綜合等電位聯(lián)結(jié)帶上。

自控系統(tǒng)機(jī)房的各種箱體、支撐架等金屬組件與建筑物總接地系統(tǒng)的等電位聯(lián)結(jié)方法有兩種,分別是:M型網(wǎng)絡(luò),為多點(diǎn)接地,其特點(diǎn)是接地阻抗低,但易引來侵入電流。S型網(wǎng)絡(luò),為一點(diǎn)接地,其抵抗電磁的干擾能力比較強(qiáng)。選用S型(星型)網(wǎng)絡(luò)、M型(網(wǎng)型)網(wǎng)絡(luò)。具體應(yīng)根據(jù)機(jī)房信息系統(tǒng)設(shè)備信號頻率和電磁干擾頻率及系統(tǒng)的規(guī)模大小來選用S型網(wǎng)絡(luò)還是M型網(wǎng)絡(luò)等電位聯(lián)結(jié)方式。

3.3 屏蔽措施

屏蔽是減少自控系統(tǒng)內(nèi)電磁干擾的感應(yīng)效應(yīng)的基本措施之一,主要方法是利用建筑物的各種金屬屏蔽體來阻擋或者衰減電磁干擾以及過電壓能量,包括建筑物自然屏蔽、建筑物內(nèi)外線路屏蔽、弱電機(jī)房人工屏蔽。

建筑物的自然屏蔽由建筑物金屬支撐物、金屬框架或鋼筋混凝土樓板和柱子的鋼筋等自然構(gòu)件互相聯(lián)結(jié),構(gòu)成一個“法拉第籠”式的外部屏蔽層。其屏蔽效果可通過磁場強(qiáng)度的衰減情況來表達(dá)。

自控系統(tǒng)機(jī)房的人工屏蔽是將機(jī)房天花板龍骨、防靜電地板以及敷設(shè)的金屬屏蔽線槽等金屬構(gòu)件互相連接,并可靠接地,使其構(gòu)成屏蔽空間;從而使LEMP被有效地減弱。另外,所有出入自控機(jī)房的線路穿金屬套管或線槽,也可采用有金屬屏蔽的電纜。并在防雷區(qū)交界處將金屬管槽、電纜屏蔽層兩端做等電位聯(lián)結(jié)。

3.4 自動控制設(shè)備SPD的要求與設(shè)置

3.4.1 電源系統(tǒng)浪涌保護(hù)器SPD

當(dāng)在輸電線附近發(fā)生雷閃放電或雷擊輸電線時,都將有較大的雷電沖擊波在輸電線路上形成,其主要能量為工頻至幾百赫的低頻能量,它們極易與工頻回路相耦合。雷電沖擊波將有可能從配電線路感應(yīng)到自控網(wǎng)絡(luò)線而耦合到自控設(shè)備,而影響其通訊模塊的正常工作以及從配電線路耦合到設(shè)備的電源模塊。

水廠的配電系統(tǒng)都安裝有氧化鋅、閥型避雷器等避雷裝置在高、低壓進(jìn)線上,但雷擊后仍然可能導(dǎo)致自控設(shè)備電源的損壞。造成這一現(xiàn)象的原因是因?yàn)樽詣涌刂圃O(shè)備的耐過壓能力較低,而避雷器有較大的分散電容并且啟動電壓高,導(dǎo)致分散電容與設(shè)備負(fù)載間構(gòu)成了一個分流的關(guān)系,從而將較高的殘壓加在了自控設(shè)備上,至少要比避雷裝置的啟動電壓高,一般為2～2.5倍的峰值,極易對自控設(shè)備造成損壞。危害自控系統(tǒng)的另一重要原因是大型設(shè)備的同時啟停引起的操作過電壓。

綜上所述,用單級保護(hù)或單一的器件滿足自控設(shè)備對電源的要求是很難實(shí)現(xiàn)的,所以應(yīng)采取多級保護(hù)措施對電源進(jìn)行防雷。根據(jù)各自實(shí)際情況確定具體級數(shù),見(圖1)。在變壓器的低壓端安裝第一級電源SPD,主要對外線等產(chǎn)生的過電壓進(jìn)行泄放,它的通雷量較大(10/350us),且具有較高的啟動電壓(920V～1800V)。在各PLC控制站的專用隔離變壓器前放置第二級,主要是將配電線路上的感應(yīng)過電壓、第一級殘壓和操作其它用電設(shè)備時產(chǎn)生的過電壓進(jìn)行泄放、其通流量居中(8/20us),啟動電壓也居中(470V～1800V)。隔離變壓器可以有效的抑制各種電磁干擾,所以安裝它是非常重要的,隔離變壓器對雷電波同樣可以產(chǎn)生有效。在PLC專用電源模板前安放末級避雷裝置,主要用于對前面的殘壓進(jìn)行泄放,完全可以實(shí)現(xiàn)箝位輸出的作用,其具有殘壓低(1.25kV以下),響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)該盡量靠近被保護(hù)設(shè)備安放各級避雷器,以避免雷電侵入波的全反射發(fā)生?？蓳?jù)系統(tǒng)對各級啟動電壓進(jìn)行確定,但應(yīng)盡量使末級實(shí)現(xiàn)箝位輸出。國內(nèi)外的電源SPD均能有較好的性能表現(xiàn)。有些設(shè)計(jì)比較完善的設(shè)備還具有避雷器漏電流檢測電路、雷擊計(jì)數(shù)器、放電管,其檢測、使用將更加的方便。將電源SPD應(yīng)用與自來水廠配電系統(tǒng)后,一般情況下其自控設(shè)備都不再會遭受過電壓而損壞。

3.4.2 信號線路浪涌保護(hù)器SPD

水廠自控系統(tǒng)的通訊線都應(yīng)采用特制的加屏蔽層的雙絞線(如DH+、MB+),并且一般鋪設(shè)方式都采用穿管直埋(或電纜溝)的方式,所以在此處由雷電引起的感應(yīng)電壓都不高(1kV～2kV)。但因?yàn)槠淇梢灾苯舆M(jìn)入計(jì)算機(jī)通訊端口或PLC,這一相對較薄弱的環(huán)節(jié),會造成較大的損害。

計(jì)算機(jī)通訊頻率或數(shù)據(jù)交換,跟據(jù)系統(tǒng)的不同,一般是從直流到幾十兆赫茲,在計(jì)算機(jī)通訊端口或PLC安裝相對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)信號SPD。SPD接地線與接地匯流排連接,接地線長度應(yīng)小于0.5m。

網(wǎng)絡(luò)信號SPD由氣體放電管+氧化鋅壓敏電阻+箝位二極管組合成復(fù)合避雷器,一般箝位二極管都具有較低的殘壓,如果假設(shè)額定電壓24V,那么它的殘壓一般介于24V～30V間。如圖2所示

4結(jié)語

總之,計(jì)算機(jī)和PLC系統(tǒng)對瞬間過電壓的承受能力都很脆弱,同時在水廠控制系統(tǒng)中的各種線路錯綜復(fù)雜,如果只使用單一的防雷措施是很難保證水廠自控設(shè)備的安全運(yùn)行,必須采取綜合防護(hù)措施。對癥下藥,全面考慮,排除各類可能引起雷害的因素,才能把將雷電災(zāi)害降低到最低。

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