凈水廠自控防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用研究

楊 明

合肥供水集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230001

1 自控配電系統(tǒng)的防雷

假如輸電線路受到雷擊，或者雷閃放電與輸電線的距離相對(duì)比較近，就會(huì)在輸電線路上產(chǎn)生雷電沖擊波，沖擊波經(jīng)過配電線路進(jìn)入到自控設(shè)備的電源模塊。通過配電線路感應(yīng)到同一電纜溝的自網(wǎng)絡(luò)線進(jìn)入自控設(shè)備通訊模塊的幾率，要比通過天饋與信號(hào)線路進(jìn)入的機(jī)率大出多倍，因此對(duì)自控系統(tǒng)配電線路采取可靠的防雷措施非常重要。一般凈水廠的配電系統(tǒng)均會(huì)設(shè)置避雷裝置，不過由于避雷裝置的保護(hù)對(duì)象往往是電氣設(shè)備，因此自控設(shè)備的電源模塊就有受到雷擊的可能。通常避雷設(shè)置的起動(dòng)電壓要求比較高，但是自控設(shè)備的耐過壓能力卻比較低，有些還設(shè)置了較大的分散電容，和設(shè)備負(fù)載形成分流關(guān)系，所以避雷設(shè)備的起動(dòng)電壓低于自控設(shè)備的殘壓，從而損壞自控設(shè)備。此外，大型設(shè)備在啟停過程中也會(huì)出現(xiàn)過電壓，對(duì)自控系統(tǒng)產(chǎn)生損壞。所以單級(jí)保護(hù)或者采用單一器件很難滿足自控設(shè)備對(duì)電源的要求，需要采取多級(jí)防護(hù)措施。具體防護(hù)措施的級(jí)別要根據(jù)實(shí)際情況的要求來確定，下面介紹一種三級(jí)保護(hù)方案:

可以在變壓器二次側(cè)設(shè)置第一級(jí)，其主要作用是泄放外線等產(chǎn)生的過電壓，起動(dòng)電壓比較高，雷通量大；而各控制站PLC專用隔離變壓器前可以設(shè)置第二級(jí)，其主要作用是泄放配電線路所感應(yīng)的過電壓、上級(jí)殘壓以及其它設(shè)備的操作過電壓，二級(jí)防護(hù)的電流量與起動(dòng)電壓水平居中，需要注意的是一定要安裝隔離變壓器，其對(duì)于電磁干擾以及雷電波有著非常有效的抑制作用；三級(jí)防護(hù)則設(shè)置在PLC專用電源模板前，其主要作用是泄放前面的殘壓，完全可達(dá)到箝位輸出，響應(yīng)速度快，殘壓也很低。

如果條件允許，自控系統(tǒng)的電源線盡量由總配電柜開始就單獨(dú)敷設(shè)，為防止雷電侵入波發(fā)生全反射，每級(jí)避雷設(shè)備盡可能不要與被保護(hù)設(shè)備距離太遠(yuǎn)；根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況設(shè)定各級(jí)防護(hù)設(shè)施的起動(dòng)電壓，不過最后一級(jí)盡可能達(dá)到箝位輸出。如果凈水廠自控系統(tǒng)采用了電子避雷設(shè)備，通常不會(huì)再受到過電壓損壞。

2 信號(hào)系統(tǒng)與天饋系統(tǒng)的防雷措施

通常總控站是控制與信息中心，也是凈水廠的生產(chǎn)監(jiān)控與調(diào)度中心，該建筑物內(nèi)集中了各種計(jì)算機(jī)通訊設(shè)備，還有各類儀器儀表，有些電臺(tái)與天饋線也在總控站內(nèi)。這種建筑物在修建過程中會(huì)使用大量的金屬材料，比如鋁或者鐵等，因此相對(duì)其它建筑而言防雷要求更高，設(shè)置防雷措施的主要目的就是形成均壓等電位屏蔽?？刂普舅诮ㄖ锊荒軆H僅安裝避雷針，要保證建筑安全還要設(shè)置避雷帶與避雷網(wǎng)，這是因?yàn)閮羲畯S往往位于空曠地勢，與水源相近，盡管建筑物高度不高，但也容易受到各種形式、不同方向的雷擊。假如建筑物內(nèi)設(shè)置有控制站，則要保證其接低電阻控制在10歐內(nèi)。有些設(shè)備裝設(shè)有通信鐵塔或者天饋線，則一定要設(shè)置避雷針，并且要在建筑物避雷網(wǎng)45度的范圍內(nèi)?？梢岳媒ㄖ镒陨淼匿摻罱Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)避雷針和通信鐵塔的接地，并且單獨(dú)敷設(shè)引下線引至建筑物的接地網(wǎng)。但是在建筑物修建過程中，無法絕對(duì)保證鋼筋的焊接質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，在受到雷擊時(shí)其均壓要求也無法得到保證，會(huì)導(dǎo)致建筑物中出現(xiàn)強(qiáng)磁場，因此不可只是單純的利用建筑物鋼筋結(jié)構(gòu)接地，還要將建筑外墻以及建筑物所有為金屬材質(zhì)的門窗連接到建筑物接地網(wǎng)的范圍。

由于雷電主要通過感應(yīng)進(jìn)入自控系統(tǒng)的，因此還要多設(shè)置幾條避雷設(shè)施的引下線，從而雷電電流的分流途徑就會(huì)更多，每條線上的泄放電流量均會(huì)減小，最終感應(yīng)能量也相應(yīng)的降低，還有一些室內(nèi)的計(jì)算機(jī)和自控設(shè)備與避雷網(wǎng)導(dǎo)地金屬體的距離要盡可能遠(yuǎn)些。

此外，凈水廠有些諸如一次儀表、攝像頭、天線以及傳感器等設(shè)備和儀表是露天設(shè)置的，針對(duì)這些設(shè)施，要將其置于有效防御直擊雷的保護(hù)范圍內(nèi)，且防御感應(yīng)雷的措施也是必不可少的；如果一些設(shè)備出于各種原因無法設(shè)置在避雷設(shè)施的防護(hù)范圍內(nèi)，則要在設(shè)備上加設(shè)避雷針進(jìn)行防護(hù)。

3 屏蔽與等電位的處理

在屏蔽的作用下，可以最大程度上防止雷電電磁脈沖侵害到自控系統(tǒng)設(shè)備。通常中央控制室與各個(gè)PLC子站都屬于框架式的建筑，所以建筑的梁、柱子會(huì)組成一個(gè)格柵屏蔽，該結(jié)構(gòu)能夠有效的屏蔽建筑以外雷電所產(chǎn)生的電磁沖，則空間磁場就會(huì)有所衰減。采用金屬屏蔽線槽架設(shè)自控系統(tǒng)的布線，并且金屬線槽兩端也要進(jìn)行接地處理，其接頭處進(jìn)行跨接處理，其主要目的是防止自控線路之間產(chǎn)生互感電流，也可以避免線路的耦合；如果線路走線未采用金屬屏蔽線槽，則要在進(jìn)入建筑物前15m處穿金屬管直埋，并且要保證兩頭接地良好，且電氣導(dǎo)通。在做好上述基礎(chǔ)措施后，再將控制室、各個(gè)PLC分站系統(tǒng)中的各類接地、室內(nèi)零電位金屬導(dǎo)體通過粗導(dǎo)線全部連接到附近的匯流排，從而形成局部的等電位連接。入侵到自控系統(tǒng)內(nèi)部的雷電流可以通過局部等電位連接所提供的低阻抗連續(xù)通道而進(jìn)入大地泄放，這是由于各種金屬物連接成了一個(gè)統(tǒng)一的導(dǎo)電體，其內(nèi)部所產(chǎn)生的電位差也不會(huì)太明顯，從而控制室以及子站的設(shè)備不會(huì)出現(xiàn)電位反擊，同時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)對(duì)人身安全有危害的接觸電壓。由于未實(shí)現(xiàn)和建筑物防雷設(shè)備的等電位連接，所以電位差反擊的機(jī)率仍然存在，此時(shí)自控設(shè)備要盡可能遠(yuǎn)離建筑物的金屬體，最好置于建筑物內(nèi)中心位置。

4 合理接地

其實(shí)防雷的終極措施就是泄放，所以接地十分重要。通常凈水廠內(nèi)的接地主要有三種，即建筑物接電、計(jì)算機(jī)自控系統(tǒng)接地以及配電系統(tǒng)與強(qiáng)電設(shè)備的接地，只有合理配置這三種接地，才能保證系統(tǒng)受到雷電侵襲時(shí)不會(huì)通過接地網(wǎng)而反擊自控系統(tǒng)。特別提出的是需要進(jìn)行等電位連接，這樣就可以將雷電導(dǎo)致的毀壞性電位差徹底的消除。電源線、金屬管線以及信號(hào)線等均要進(jìn)行等電位連接，可以通過過壓保護(hù)器實(shí)現(xiàn)，完成局部的等電位連接后再連接主等電位點(diǎn)。有些點(diǎn)沒有連接在一起，可以通過等電位火花隙相連接，如果處于正常狀態(tài)時(shí)，各自獨(dú)立，如果受到雷電侵襲則導(dǎo)通等電位火花隙，從而各接地系統(tǒng)的電位會(huì)同時(shí)升高，最終形成等電位。

5 防雷器的選擇安裝

防雷器性能的優(yōu)劣直接影響到避雷效果，一個(gè)性能良好的防雷要具備切實(shí)的保護(hù)功能，且在應(yīng)用過程中不可干擾到保護(hù)對(duì)象的正常工作，所以在防雷設(shè)備的選擇方面需要注意以下幾個(gè)事項(xiàng):第一，防雷器的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間要盡可能夠短，其響應(yīng)速度一定要比瞬態(tài)過電壓沖擊的速度要快，一旦出現(xiàn)浪涌就要快速啟動(dòng)釋放掉浪涌的能力；通常雷電流的沖擊速度要用微秒甚至毫秒來計(jì)算，防雷器的響應(yīng)速度要在納秒級(jí)內(nèi)才能有效協(xié)防。第二，防雷器的容通量要盡可能大，因?yàn)樾狗诺碾娏髟酱?，抵御電擊的能力就越?qiáng)。第三，信號(hào)防雷器在線阻抗最好不要過大，這樣防雷器接入對(duì)接入回路信號(hào)衰減的影響就會(huì)降低，通常在線阻抗要小于10Ω，如果有特殊要求，則要小于5Ω。第四，防雷器的殘壓要盡可能低，把過電壓控制在安全范圍，從而降低儀器設(shè)備，特別是精密儀器、計(jì)算機(jī)設(shè)備受殘壓損害的機(jī)率。第五，有些線路用于傳輸頻率信號(hào)，此時(shí)要求防雷器要可以滿足正常信號(hào)的傳輸，其頻寬要足夠。第六，通常情況下如果線路上安裝防雷器的數(shù)量比較多，要注意電壓開關(guān)型防雷器和限壓型防雷器間的線路長度至少要大于10m，限壓型防雷器的間距至少要大于5m，如果實(shí)際施工過程中各類防雷器的間隔要求無法滿足，則要在中間加設(shè)退耦設(shè)備。第七，注意防雷器接口與受保護(hù)設(shè)備的兼容性，防雷器體積不可過大，且防雷器需要合理的裝設(shè)在合理的地方；如果同一個(gè)柜內(nèi)需要裝設(shè)多個(gè)防雷器和退耦設(shè)備，則要保證柜內(nèi)的散熱，并防止退耦裝置接頭的氧化升溫。

此外，防雷器正確的安裝方式也很重要，具體施工時(shí)需注意以下幾點(diǎn):第一，要保證防雷器的接地性能良好，因此要保證通暢、可靠的防雷器接地泄放通道；第二，在防雷器信號(hào)與接地線連接時(shí)，要將其冗余部分盡量減少，特別是為了防止自身泄放電流形成電磁場對(duì)線路的正常工作產(chǎn)生影響，接地線盡量減少繞環(huán)布線；第三，如果防雷器需要設(shè)置在室外，則一定要安裝在電氣箱內(nèi)，且電氣箱的防護(hù)等級(jí)需要達(dá)到IP65。為了保證防雷設(shè)備保持良好的工作狀態(tài)，要對(duì)其進(jìn)行常態(tài)檢查，尤其有些防雷器帶有沖擊保險(xiǎn)模塊，更要對(duì)其保險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行檢查，如果發(fā)現(xiàn)損壞需及時(shí)更換，為便于直接檢查可以設(shè)置可視窗口。

[1]蔣繼申，等著.給水行業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng).南京:河海大學(xué)出版社，2009.

[2]李景祿，等著.現(xiàn)代防雷技術(shù).北京:中國水利水電出版社，2007.

[3]王寧.給水自控系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)[J].鐵道勘測與設(shè)計(jì)，2009(11).

[4]胡海旺.呼延水廠自控系統(tǒng)的防雷應(yīng)用[J].山西科技，2008(9).