污水處理廠自動控制系統(tǒng)防雷分析

魏 強

（中國船舶重工集團公司第七一八研究所，河北邯鄲 056027）

雷電是一種大氣的放電現(xiàn)象，由雷云與地面產(chǎn)生的電場引起。雷電按其放電方式可分為直擊雷和感應雷［1］。雷擊破壞主要是由于直擊雷和感應雷以及伴隨出現(xiàn)的極高電壓和極大電流所致。這其中，感應雷生成的過電壓通過傳導體傳送至設備，造成屋內(nèi)電線、金屬管道和大型金屬設備放電，間接的摧毀弱電設備。感應雷對弱電設備，特別是通訊設備和以電子計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)為核心的自控系統(tǒng)的危害最大。據(jù)已有的統(tǒng)計資料顯示，自控系統(tǒng)設備遭雷擊損壞80%以上是由感應雷引起的，感應雷被國際電工委員會稱為“電子時代的最大公害”。雷擊防護不當輕則會導致電子設備信號的傳輸受到干擾而失真;PLC程序錯亂、內(nèi)存數(shù)據(jù)丟失而產(chǎn)生誤動作;嚴重時將損壞電源適配器、通訊模塊、I/O模塊、PLC處理器等相關設備，致使系統(tǒng)癱瘓。更嚴重時會出現(xiàn)火災。而污水處理廠一般建設在易受雷擊的平原開闊地帶，平均雷暴日多在40天以上。因此，防雷設計在污水處理廠工程應用中顯得愈發(fā)重要。

1 雷電波的入侵途徑

在《建筑物電子信息系統(tǒng)的防雷技術規(guī)范》GB50343-2004 1.0.6中明確規(guī)定:電子信息系統(tǒng)應采用防直擊雷和防雷電電磁脈沖等措施進行綜合防護［2］。防雷電電磁脈沖就是防感應雷，感應雷對自控系統(tǒng)的侵入途徑主要有以下幾種［3］:

（1）靜電感應:當金屬物體或架空線處于雷云和大地所形成的電場中時，導體上就會感應出與雷云相反的電荷。當雷云對線路附件的地面發(fā)生主放電時，先導通道中的電荷自下而上迅速中和，導體上的束縛電荷成為自由電荷，向線路兩側(cè)傳播形成感應雷電壓沖擊波，這個感應電壓的幅值與雷電流的幅值成正比，與雷擊點到導線的距離成反比。

（2）電磁感應:當現(xiàn)場工藝裝置接閃器發(fā)生接閃時，巨大的能量會在瞬間流過防雷引下線對地泄放，在防雷引下線的周圍會感應出強大的瞬變的電磁場，處在這個電磁場中的導體就會感應出較大的電動勢。如圖1所示。如果在附近存在閉合的回路，回路上就會感應出感應電流，當自控系統(tǒng)的信號線近距離經(jīng)過，就會在信號線回路中感應出強電流浪涌，可能擊穿控制模塊和變送器，損壞設備。

圖1 雷擊電磁感應示意圖

（3）雷電反擊:雷電反擊是指雷電接閃后，雷電流在泄放過程中在導體上產(chǎn)生的高電壓或電位差對其它物體產(chǎn)生的電擊現(xiàn)象。一般分為“擊穿反擊”和“傳導反擊”，其中“傳導反擊”中的“地電位反擊”對自控系統(tǒng)的影響最大。所謂“傳導反擊”是指雷電被接閃后，雷電流在泄放過程中，在流經(jīng)的接地體、引下線以及與之相連的導體上形成的電位差，此電位差通過線纜、連接導體（包括SPD）傳導耦合到儀表、電氣設備的線路接口上而擊壞儀表和電氣設備。

（4）浪涌侵入:在遠處雷擊情況下，行波電涌沿信號線路傳播，產(chǎn)生的感應或傳導的浪涌電壓和浪涌電流影響可達2 km外的電子設備。分雷電流在信號電纜中流動時，將產(chǎn)生縱向與橫向電壓。芯線和電纜的金屬屏蔽層之間產(chǎn)生的縱向電壓，施加在所連接的電子設備的輸入端與接地外殼之間的絕緣層上。芯線之間產(chǎn)生的橫向電壓，施加在所連接電子設備的輸入端。浪涌電流在信號線上主要通過電阻性耦合、電感性耦合、電容性耦合損傷線路上和所連接的電子設備，目前的電子設備通常只能耐受數(shù)千伏的擊穿電壓，遠遠低于浪涌產(chǎn)生的數(shù)萬伏或者數(shù)十萬伏過電壓的威脅。

除了上述的幾種主要途徑以外還有雷擊電磁輻射干擾等侵害途徑。

2 防雷設計

防雷設計是一個系統(tǒng)工程，消除雷擊對系統(tǒng)的影響不能只靠幾個防雷設備和方法就能解決。在設計中要針對各個系統(tǒng)可能的侵入路徑，根據(jù)實際情況，按照整體防御、系統(tǒng)布置、多級防護的原則設計防雷。通過歸納總結(jié)多個工程的實際經(jīng)驗，自控系統(tǒng)的防雷從以下幾個方面考慮。

2.1 隔離

隔離就是將雷電所產(chǎn)生的過電壓和被保護物隔離開。實現(xiàn)兩個目的，一是限制內(nèi)部的輻射電磁能越出某一區(qū)域;二是防止外來的感應電磁進入某一區(qū)域。隔離主要運用在對中控室、通信機房等弱電設備較多、自身防護較弱的位置。隔離根據(jù)的是“法拉地籠”原理，即當接閃器、引下線和接地裝置組成一個籠式的形狀的時候，能有效地防止雷擊事故的產(chǎn)生，從而保護籠內(nèi)的人員或財產(chǎn)不受到雷擊［4］。就接地系統(tǒng)而言，是由水平接地體、垂直接地體和包裹著水平接地體和垂直接地體的土壤共同組成。所以，在建筑物設計時應盡量選擇鋼筋作為建筑物的主要建材，使建筑物形成一個等電位的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使雷擊電流實現(xiàn)有效的分流，從而實現(xiàn)隔離。

2.2 疏導

疏導就是將雷云中的電荷通過引線疏導至大地，避免直擊雷或感應雷所產(chǎn)生的電流流經(jīng)自控設備。疏導的主要方式是接地。對于污水處理廠防雷系統(tǒng)來說，接地電阻越小，雷擊電荷疏導將越快，過電壓越小，所以接地對自控系統(tǒng)防雷系統(tǒng)來說至關重要。而接地又分為防雷接地、信號線接地和屏蔽接地。

2.2.1 防雷接地

防雷接地的裝置包括接地網(wǎng)和接地線。接地裝置的優(yōu)劣與接地電阻和接地方式有關。為便于與各種入戶金屬管道相連，降低跨步電壓，建筑物防雷接地一般采用周圈式接地。污水處理廠構(gòu)建物多數(shù)不高，防雷接地應盡量利用自然接地體作為接地裝置，只要基礎采用硅酸鹽水泥和周圍土壤的含水量不低于4%，基礎外表面無防腐層或有瀝青質(zhì)的防腐層時，可利用基礎內(nèi)鋼筋作接地裝置，否則應加設人工接地裝置。

在接地裝置參數(shù)中，對于接地線，主要考慮它的電感，而忽略它的電阻;對于接地網(wǎng)，則主要考慮它的接地電阻，而忽略它的電感。通常的單根鋼筋接地引下線，其電感可按每米1微亨（1 μH/m）計算。而接地網(wǎng)的接地電阻國標中已有要求，如果實測接地電阻比國標的要求小，計算時按國標的要求進行數(shù)值計算;如果實測接地電阻比國標的要求大，就按實測的接地電阻進行計算。

對于獨立避雷針的單根引下線，如果我們忽略電阻而假設其電感為1 μH/m，若按三類防雷考慮，雷電流的波頭時間為10 μs，雷電流幅值 100 kA，根據(jù)di/dt=10 kA/μs，得到沿引下線的電壓降為10 kV/m。對于一類防雷要求，雷電流幅值200 kA，di/dt=20 kA/μs，則沿引下線的電壓降為20 kV/m。再假設一個接地系統(tǒng)，接地電阻為412 Ω，100 kA的雷電流在它上面將產(chǎn)生400 kV的電壓降，雖然這個電壓降是以大地遠處的零電位為參考點，但也是一個十分巨大的電壓降，需要盡可能地降低引下線的電感和接地裝置的接地電阻和電感。采用多根引下線并聯(lián)，如在中控室的梁柱內(nèi)的鋼筋多根并聯(lián)，就能大大降低它的電感參數(shù)，進而達到降低雷電沖擊電壓的目的。

2.2.2 信號線接地

污水處理廠露天設備、儀表多，其信號電纜在發(fā)生接閃前由于電場作用，會被感應出大量異種電荷。當接閃后，信號線上的電荷會向控制系統(tǒng)模塊或者現(xiàn)場變送器側(cè)泄放，由于電量大，形成的電位差會擊壞模塊或變送器。而且電流通過導體時，由于感應作用引起導體截面上電流分布不均勻，愈近導體表面電流密度越大。這種現(xiàn)象稱“趨膚效應”。由于電荷的“趨膚效應”，當信號線纜的屏蔽層做好接地（單端接地，控制系統(tǒng)側(cè)）后，感應電荷能迅速被導走，消除靜電感應，起到了保護作用。所以在信號電纜敷設時要求外層屏蔽單端接地。

2.2.3 屏蔽接地

進入隔離屏蔽范圍的金屬導線，為了避免線路上發(fā)生耦合現(xiàn)象，以及線路之間產(chǎn)生互感電流，均需有屏蔽層或采用穿金屬管屏蔽，這樣才能使隔離屏蔽形成一個整體的“籠”。布線盡可能使用金屬屏蔽線槽架設，并將金屬線槽兩端做接地處理，金屬線槽接頭處需做跨接處理。接地裝置應滿足如下接地要求:交流工作接地，接地電阻不大于4 Ω;安全保護接地，接地電阻不大于4 Ω;直流工作接地，接地電阻應按控制系統(tǒng)具體要求確定。如交流工作接地、安全保護接地、直流工作接地、防雷接地等四種接地共用一組接地裝置時，其接地電阻按其中最小值確定;若防雷接地單獨設置接地裝置時，其余三種接地共用一組接地裝置，其接地電阻不大于其中最小值，并應采用暫態(tài)共地技術防止地電位的反擊。

2.3 電源保護

日處理量在5萬噸或以下的污水處理廠多數(shù)設計采用獨立高壓架空輸電線路。由于傳輸距離遠，野外跨度大，當雷擊輸電線或閃電放電在輸電線附近時，很容易出現(xiàn)輸配電線路的電源浪涌。其能量主要集中在工頻至幾kHz，容易與污水廠電源工頻回路耦合。電源浪涌對于低壓供電可能造成電壓偏差、諧波、電壓晃動和閃變、電壓上揚或下降、三相電壓不平衡等電能質(zhì)量問題，這些問題對于電機、泵等額定工況電壓允許偏差范圍較寬泛的設備的影響不大，但對于工作電壓多在24 V或更低的控制系統(tǒng)而言，以上電能質(zhì)量問題的影響就是接近致命性的損傷了。因此，配電線路的防雷是自控系統(tǒng)防雷的重要部分。

一般中小型污水處理廠的配電線路在高、低壓進線處都已安裝有閥型避雷器、ZnO避雷器等防雷裝置，但自控系統(tǒng)的電源仍會遭受雷擊而損壞。這是因為這些裝置的保護對象是電氣設備，而不是自控設備。同時，這些避雷器起動電壓較高，會產(chǎn)生較大的分散電容，與設備負載之間成為分流的關系，從而加在自控設備上的殘壓高（至少高于避雷裝置的起動電壓，一般為峰值的2～2.5倍;單相殘壓≥800 V），極易造成自控設備損壞。同時，大型設備起停產(chǎn)生的操作過電壓也是危害自控系統(tǒng)的重要原因之一。所以，用單一的器件或單級保護很難滿足自控設備對電源的要求，因此對電源防雷應采取多級保護措施，具體級數(shù)根據(jù)廠內(nèi)設計情況而定。

圖2 某污水處理廠自控系統(tǒng)配電防雷圖

圖2所示的是某污水處理廠的自控系統(tǒng)配電防雷的示意圖。第一級防雷器15 kA（10/350 μs）或限流型防雷器為開關型，安裝在變壓器二次側(cè)、A/B進線柜斷路器的三根相線和中性線上，分別對地并聯(lián)，主要泄放外線等產(chǎn)生的較強過電壓。第二級防雷器40 kA（8/20 μs）安裝在PLC低壓配電柜出線側(cè)相線和中性線上，為限壓型，分別對地并聯(lián)，主要泄放第一級殘壓，分流配電線路上傳輸過來的雷電感應或耦合過電壓和其他用電設備的操作過電壓，有效抑制各種電磁干擾。第三級防雷器20 kA（8/20 μs）安裝在進入PLC專用電源模塊或其他自控設備元器件之前的相線和中性線上，為限壓型，分別對地并聯(lián)，可以泄放前面尚存的殘壓，進一步保護設備免受過電壓的干擾。最終，通過對雷擊過電流的逐層泄放和鉗位保護，使得雷電流引起的末端瞬態(tài)過電壓被控制在較小范圍內(nèi)，極大地減少了對設備的破壞。

3 結(jié)束語

通過對污水處理廠自控系統(tǒng)防雷擊侵害措施的分析，以及多個實際應用的驗證，在污水處理廠自控系統(tǒng)設計施工過程中，嚴格按照防雷設計規(guī)范施工，根據(jù)實際情況綜合考慮防雷設計，采用科學的、系統(tǒng)的防雷措施可以有效地降低污水處理廠自控系統(tǒng)雷擊侵入的影響，最大程度保證污水處理廠的平穩(wěn)運行。

［1］王威.工業(yè)生產(chǎn)自動化［M］.北京:科學出版社，2003.

［2］中華人民共和國建設部.GB50343-2004建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］張朝暉，徐瑋瑛，胡彬.雷電侵害儀表和控制系統(tǒng)的幾種途徑［J］.化工自動化及儀表，2009，36（6）:89-92.

［4］中華人民共和國建設部.GB50057-1994（2000版）建筑物防雷設計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.