工廠自動化控制系統(tǒng)防雷設計與應用

李炳舉

摘要：隨著我國社會經(jīng)濟和科學技術的進步，各行業(yè)和各領域的發(fā)展速度都十分迅速，自動化控制系統(tǒng)也在工廠里逐步得到了廣泛應用。目前工廠的自動化控制普遍采用由工業(yè)計算機IPC或可編程控器自動化組成的集數(shù)據(jù)采集、過程控制和信息傳送于一體的監(jiān)控網(wǎng)絡。雷電是自然界中一種常見的現(xiàn)象，結合實際工作情況可以發(fā)現(xiàn)，雷電對自動化控制系統(tǒng)有著很大的威脅，由于自動化控制系統(tǒng)的連通性，往往對整個系統(tǒng)內(nèi)自動化控制模塊、相關的監(jiān)測儀表以及變頻器控制的機電設備造成極大的破壞和影響。一旦發(fā)生了這種情況，必然會對工廠的生產(chǎn)造成不利影響。因此，不斷深化對自動化控制系統(tǒng)防雷技術的研究，使其防雷性能更加強大，防護范圍更加廣泛，這對自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展和應用都有著及其重要的意義和作用。文中首先對雷電的入侵途徑進行說明，分析了自動化控制系統(tǒng)中防雷部件的選擇，并對這些部件的具體應用實例進行了闡述。最后結合實際工作經(jīng)驗，對自動化控制系統(tǒng)在應用過程中易受雷電的損害進行了分析，并提出有效的防雷保護措施。

關鍵詞：工廠自動化控制系統(tǒng);防雷技術;防雷保護

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6487（2019）03-0047-03

0引言

近年來，隨著自動化控制系統(tǒng)在工廠的普及，保障整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行尤為重要，其中雷電危害對自動化控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行影響最大，所以自動化控制系統(tǒng)要有完善的防雷保護。

1自動化控制系統(tǒng)防雷概述

1.1雷電對自動化控制系統(tǒng)造成危害的途徑

（1）直接雷擊：直接雷擊是指雷電直接擊中現(xiàn)場自動化控制系統(tǒng)設備或與之連接的管路并在設備上產(chǎn)生強加熱效應和電動力作用，損壞自動化控制系統(tǒng)的控制模件及相關的電子線路。一般情況下因工廠在設計時防雷保護都比較完善，因此發(fā)生直擊雷損壞設備的情況比較少見。

（2）感應雷擊：雷電流產(chǎn)生的靜電感應作用和電磁感應作用如果進入現(xiàn)場自動化控制系統(tǒng)和用電設備，就會造成設備損壞。

（3）雷電過電壓：其產(chǎn)生的雷電波可能沿著金屬導體、管道，特別是沿天線或架空電線將高電位引入自動化控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)造成干擾和破壞。

（4）反擊雷：防雷裝置在接閃時，強大的瞬間雷電流通過引下線流入接地裝置，由于大地電阻的存在，雷電電荷不能快速向大地泄放，必然會引起局部地電位上升（可能達到上百千伏），如果自動化控制系統(tǒng)的接地體與該點沒有足夠安全距離，它們之間就會產(chǎn)生放電，造成反擊電流，可直接擊穿設備的絕緣部分，會對自動化控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾乃至損壞設備。

2自動化控制系統(tǒng)的防雷措施

2.1工廠供電系統(tǒng)的防雷措施

首先做好工廠供電系統(tǒng)的防雷才能為廠區(qū)內(nèi)自動化控制系統(tǒng)的安全打下良好的基礎，這里對工廠供電系統(tǒng)的防雷措施做一簡單介紹。如工廠供電系統(tǒng)、配電室、建筑物等。

工廠供電系統(tǒng)可使用浪涌保護器進行分級保護，必要時可采用雙電源供電回路和自動重合閘裝置。

工廠配電室的防雷：對直擊雷的防護，主要是安裝避雷針或避雷線。對線路侵入沖擊波的防護，可以在高壓電源進線端安裝閥型避雷器。配電室防雷多采用進線段保護。工廠建筑物的防雷多采用對低壓架空線的進線進行處理，如進戶處絕緣子的鐵腳接地。也可裝設低壓閥式避雷器或放電間隙。采用電纜進線則可以從架空線上轉換一段有金屬外皮的電極埋地引入供電系統(tǒng)。

2.2自動化控制系統(tǒng)防雷措施

一個有效的防雷系統(tǒng)，至少包括外部、內(nèi)部和過電壓防護等三個方面，而正確的連接和接地則是各個方面中的關鍵環(huán)節(jié)。防雷保護的一個重要的方面是接地以及引下線路的布線。防雷系統(tǒng)的接地主要由接地體、連接線組成接地網(wǎng)絡，其中影響接地效果的幾個因素有電阻率、接地體的選擇、接地材料的防腐和合理的規(guī)劃接地網(wǎng)絡。

2.3廠建筑物、供電系統(tǒng)及自動化控制系統(tǒng)的防雷接地保護

防雷接地一般分為防雷接地，防止因雷擊而造成損害。靜電接地，防止靜電產(chǎn)生危害。

（1）建筑物防雷一般采用整體結構防雷，如主廠房防雷，主要基礎要做接地極和接地帶，形成一個接地網(wǎng)，接地電阻應小于10。再與主廠“房的鋼筋或鋼構的主體連接。水泥混凝土屋頂接避雷帶或避雷針，墻外地面必須留有接地測試點，以便進行接地電阻阻值的測量。鋼構應用鍍鋅扁鋼直接引到屋頂。

（2）供電系統(tǒng)接地一般分為保護接地和工作點接地，保護接地是帶電設備外殼接地。工作點接地指零線接地，接地網(wǎng)做法與避雷接地方式一樣，接地電阻應小于4歐。如低壓電氣系統(tǒng)接地采用TN一S接地系統(tǒng)，零地線必須分別采用獨立的線路。每個建筑物進戶線處要設置重復接地。對于不帶電的電氣設備的金屬外殼，都應與專用接地線（PE線）作可靠連接。

（3）自動化控制系統(tǒng)接地系統(tǒng)。該系統(tǒng)接地電阻則需小于1歐，一定要注意不能與防雷接地連接。自動化控制系統(tǒng)防雷接地設計時需要注意兩方面的防護：一是要注意雷電的反擊，要消除反擊現(xiàn)象，通常采取兩種措施：先作等電位連接，用金屬導體將兩個金屬導體連接起來，使其接閃時電位相等。同時兩者之間必須保持一定的距離。二是要注意感應雷的防護，對雷電流進入建筑物的各類金屬管、線上所產(chǎn)生雷電脈沖要起到限制作用，從而保護建筑物內(nèi)人員及各種電氣設備的安全。應根據(jù)各種設備的具體情況采取措施，除了要有良好的接地和布線系統(tǒng)，并保持安全距離外，還要按供電線路，各類線纜的情況安裝對應規(guī)格的避雷器、浪涌保護器以及采取必要的屏蔽措施。

2.4自動化系統(tǒng)防雷主要是供電電源防雷和通訊信號線防雷

供電電源的防雷保護多采用的是閥型避雷器，可以多次反復防雷，但是強雷電通過后需要檢驗或更換。PLC模塊及通訊信號的防雷包括RS485防護、RS232防護、4-20mA的防護電路等。文中主要針對常用的浪涌保護器做一簡單介紹：

浪涌保護器，也叫防雷器，是一種為各種電子設備、自動化控制系統(tǒng)、通訊線路提供安全防護的電子裝置。當電氣回路或者通信線路中因為外界的干擾突然產(chǎn)生尖峰電流或者電壓時，浪涌保護器能在極短的時間內(nèi)導通分流，從而避免浪涌對回路中其他設備的損害。如大家所熟知的在2011年7月23日發(fā)生的動車事故，就是因為雷擊造成溫州南站的鐵路通信信號電纜上產(chǎn)生浪涌電壓，并在多次雷擊浪涌電壓和直流電流共同作用下，列控中心設備采集驅動單元采集電路電源回路中的保險管F2熔斷，使信號顯示錯誤，是發(fā)生此次事故的主要原因之一。所以目前條件下，合理的選擇和使用浪涌保護器可以對自動化控制系統(tǒng)進行有效防雷保護。

2.4.1浪涌保護器（SPD）工作原理與分類

浪涌保護器是電子設備雷電防護中不可缺少的一種裝置，英文簡寫為SPD。浪涌保護器按工作原理通常分為三種：開關型、限壓型、分流型或扼流型。浪涌保護器按保護對象通常分為信號防雷器如網(wǎng)絡信號防雷器、視頻信號防雷器、音頻信號防雷器、控制信號防雷器和串口信號防雷器等。電源浪涌保護器分為第一級浪涌保護器、第二級浪涌保護器、第三級浪涌保護器。其他還有天饋線防雷器、光伏直流防雷器以及用于監(jiān)控系統(tǒng)防雷的二合一、三合一防雷器等。

2.4.2浪涌保護器對電源的分級防護與選型

為達到更好的防雷保護效果應準確的選用浪涌保護器的型號、規(guī)格，并對工廠供電系統(tǒng)和自動化控制系統(tǒng)的電源及設備進行分級保護。

（1）第一級浪涌保護器用于直接雷擊電流的泄放。應選取沖擊電流應取等于或大于12.5kA的產(chǎn)品。

第二級浪涌保護器是針對前一級的殘余電壓以及對區(qū)域內(nèi)可能遭受感應雷擊的設備采取進一步防護。第二級可選用最大通流容量40-100kA，標稱通流容量為20-50kA的產(chǎn)品。

第三級浪涌保護器是對雷電的電磁脈沖和通過第二級

壓的值降低到1000V以內(nèi)，使殘余浪涌的能量不致于損壞設備。通常安裝在自動化控制系統(tǒng)交流電源的進線端?？蛇x以下的產(chǎn)品。

根據(jù)被保護設備的耐壓等級，一般兩級浪涌保護器就可以很好的保護效果。假如設備的耐壓水平較低，就可能需要采取三級及以上的保護。需要注意的是裝了浪涌防雷器的自動化控制系統(tǒng)還是會發(fā)生被雷擊損壞，因為浪涌保護器只能抵抗一次雷擊，當被雷擊中失效以后需及時更換。否則無法再用于保護設備。

3自動化控制系統(tǒng)防雷技術污水處理廠應用實例

3.1工程概況

準旗污水處理廠承擔著準格爾旗薛家灣地區(qū)全部生活污水處理任務，是市政重要的環(huán)保企業(yè)。污水處理廠的位置地勢較高且處于相對偏僻的地區(qū)，容易受到雷電的襲擊，而且污水處理生產(chǎn)過程的自動化程度也較高，如果受到雷電的襲擊，必然會導致自動化控制系統(tǒng)和相關的在線監(jiān)測儀表的損壞，因此，在污水處理廠建設和運行過程中，應注意對自動化控制系統(tǒng)和設備的防雷措施的選擇和應用，以提高污水處理廠的整體防雷效果。

污水處理廠全廠約有20多個構筑物。其中關鍵設備有600多臺，其中80%為各類閘閥、泵機，整套工藝經(jīng)由上位機、PLC系統(tǒng)進行中央集中控制。

3.2自動化控制系統(tǒng)防雷設計范圍及原則

工業(yè)控制計算機的防雷：工業(yè)控制計算機與PLC模塊直接相連，并通過中控室的網(wǎng)絡柜完成數(shù)據(jù)處理。其防雷措施包括：首先做好防雷接地處理，工業(yè)控制計算機和PLC柜就近接地。另外需要在工業(yè)控制計算機和PLC柜前端配電箱安裝帶浪涌保護器保護的電源裝置，信號進線端安裝RJ45接口的網(wǎng)絡信號防雷器等。

PLC模塊的防雷：據(jù)測算污水處理廠內(nèi)建筑物的年預計雷擊次數(shù)一般不高于0.25次/a，故可按三類防雷建筑物考慮。所以PLC模塊也應按“三類”防雷要求選型。為進一步提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中加入隔離繼電器對所有的DO/DI模塊進行防雷隔離，同時在系統(tǒng)中加入浪涌保護器對所有的AO/AI模塊進行防雷保護。

3.3自動化控制系統(tǒng)在防雷保護措施不完善情況下受到的損害

因污水處理廠從1995年開始建廠”，中間經(jīng)過多次工藝改造，同時污水處理廠又處于雨季多雷地區(qū)，曾多次發(fā)生雷擊損壞在線監(jiān)測儀表及PLC模塊現(xiàn)象，如2012年6月份廠區(qū)內(nèi)多臺設備受到雷擊，共計損壞攝像頭4個（主板損壞）包括：CAST池監(jiān)控攝像頭一個;深度處理優(yōu)化單元監(jiān)控攝像頭一個：接觸濾池監(jiān)控攝像頭一個：脫水間屋頂攝像頭一個;損壞進口明渠流量計一臺（表頭顯示正常，無流量數(shù)據(jù)）;損壞出水池液位計一臺（4-20mA信號通道損壞）;多臺鼓風機變頻器數(shù)據(jù)丟失等。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)以上設備所處的建筑物屋頂（包括CAST池）沒有或缺少防雷設施。且部分PLC模塊及在線監(jiān)測儀表缺少電源防雷模塊及信號防雷模塊的保護，并且各建筑物屋頂及生產(chǎn)技術辦公樓原先設計的防雷保護措施已起不到自動化控制系統(tǒng)的防雷保護作用。

3.4防雷保護措施的完善

針對以上情況，對室內(nèi)PLC模塊以及室外儀表加裝了控制電源防雷模塊及信號電源防雷模塊。監(jiān)控系統(tǒng)前端加裝了二合一防雷器。建筑物屋頂對原先沒有的防雷設施的進行改造，安裝了避雷帶。沒有防雷設施的加裝防雷設施以適用于自動化控制設備對防雷的要求。如在廠區(qū)內(nèi)安裝避雷針及避雷網(wǎng)等防雷裝置。以下對防雷保護的完善情況做一下簡要介紹：廠“區(qū)內(nèi)加裝避雷針及接地網(wǎng)裝置5座、避雷網(wǎng)及接地裝置2座、安裝接地體裝置9個。其中CAST北池中段空地位置安裝30m高獨立避雷針及接地體1座。深度處理優(yōu)化單元西端空地位置安裝30m高獨立避雷針及接地體1座。過濾間與出水泵房中間空地位置安裝30m高獨立避雷針及接地體1座。脫水間屋頂攝像頭附近位置安裝2.5m高避雷針1座，其引下線與原建筑物避雷網(wǎng)相連。生產(chǎn)技術樓屋頂攝像頭附近安裝2.5m高避雷針1座并與原建筑物避雷網(wǎng)相連。細格柵間屋頂加裝屋頂避雷帶及接地體2個。加壓泵房屋頂加裝屋頂避雷帶1座及接地體4個。防雷工程嚴格按照《建筑物防雷設計規(guī)范》的要求對需要防雷保護裝置的位置進行選擇。材料的選用條件：導體的截面積和熔點必須滿足防雷要求。如避雷針制作材料選用：主要材料為圓鋼、鋼板，以此焊接獨立避雷針。分為A段、B段、C段、D段及避雷針針尖共五段，每段為6m，共計30m。12mm規(guī)格厚鋼板做底座。12、16、19、22、25mm等規(guī)格的鍍鋅圓鋼分別做避雷針各段的主材料。接地極所用鍍鋅扁鋼選用40X4mm規(guī)格。避雷針所用鍍鋅鋼管焊接在鋼板中心位置。鍍鋅鋼管上端焊接鍍鋅圓鋼（圓鋼頂部應磨尖），鋼板用水泥做臺固定，并焊接鍍鋅扁鋼連接至原建筑物避雷網(wǎng)。避雷針建造完成后粉刷防銹漆進行防銹處理后再進行刷銀粉漆處理。安裝完成后，還需對這些防雷設施進行細致的檢查與維護，如防雷建筑物檢查每年至少進行1次，建筑物接地電阻不應≤109，防靜電接地，電氣設備工作接地，交流保護接地，保護接地電阻均應≤42。所測接地電阻值不符合規(guī)定時，必須進行處理。另外接閃器、避雷針、避雷網(wǎng)需進行外觀檢查，如有發(fā)現(xiàn)開焊或者腐蝕嚴重的要進行焊接和刷漆。應確保引下線與接地裝置的連接處無開焊、腐蝕現(xiàn)象。

通過以上防雷保護裝置的安裝，廠：內(nèi)再沒有發(fā)生因雷擊損壞自動化控制設備、在線監(jiān)測儀表以及監(jiān)控攝像頭的情況。

4結束語

自動化控制系統(tǒng)的防雷工作非常重要，這項工作是保證自動化控制系統(tǒng)及其相關的在線監(jiān)測儀表安全性和使用壽命的必備條件。同時要優(yōu)化和完善相應的功能模塊，提高防雷效果，使自動化控制系統(tǒng)的防雷技術更加先進和實用。

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