浅析供水SCADA系统设备及仪表的防雷措施

摘要：阐述供水SCADA系统在使用过程常被雷击的情况，扼要分析雷击的途径，详细讲解供水SCADA系统设备及仪表的防雷措施。

关键词：供水SCADA系统电子设备 防雷

1引言

随着电子信息技术的迅速发展，自动化系统设备及仪器仪表都朝着集成化、智能化发展，这些电子设备的信号电平越来越低、精密度越来越高，对雷电的防护问题尤其突出，成为一门非常重要的课题。

湛江地区位于祖国大陆最南端的雷州半岛，顾名思义这个地区是一个典型的多雷区，平均每年有80多天出现雷暴天气，雷电异常活跃，常常对电子设备致予毁灭性损坏。

日前，湛江水司的供水SCADA系统（SupervisoryControlAndDataAcquisition监控和数据采集系统）主要是调度中心站通过无线电通讯向各端站（每个端站都配有电台及天线作为无线通讯）指令，进行采集数据和传送数据。由于系统的电子设备普遍存在绝缘强度低、过压和过流耐受能力差、对电磁干扰敏感差等弱点。例如：该系统设备和仪表的供电为DC12V或24V，仪表输出信号一般为4～mA（电流）或0～5V（电压），一旦遇到直接或间接的雷击，雷电产生过压、过流或脉冲电磁场会通过供电线路、仪表信号线等途径对电子设备产生不同程度的破坏。

2雷电对系统设备及仪表破坏的途径

雷电现象的实质是雷雨云中积集着大量的电荷，达到一定强度时，击穿空气层，向大地强行放电的过程。雷电具有极大的破坏性，其电压高达数百万伏，瞬间电流可达数百万安培。根据雷电对电子设备的破坏途径，可分为三种情况。

2.1直击雷。直击雷是雷电直接击中系统设备或仪表，损坏电子设备。

2.2感应雷（雷电磁感应）。在一定范围内（一般是周围为500～1500米）发生雷击时，在所有的导体上产生足够强度的感应浪涌，通过各种电力、信息线路来感应雷电；或者在闪电时所放电而产生瞬变电磁场，通过电阻、电容或电感耦合感应出极强的瞬态过电压，对电子设备造成干扰或破坏。

2.3传导雷（雷电磁波侵入）。在更大范围内（周围几公里），雷电击中附近的电力或信息通讯线路，然后沿着传输线路侵入设备。其中，地电位反击是传导雷中危害性最大的一种，即附近发生雷击时，由于地电位的浮动，导致电压迅速升高，可使变送器与控制系统或机柜外壳与柜内电子设备之间地电位差高达几千甚至几万伏，足以将电子设备击穿。

3系统设备与仪表防雷的主要措施

一般的电子设备都有自我保护电路，如过压保护、抗瞬态过电压或分流瞬态过电流等，但这具有相当的局限性。现根据雷电对供水ACADA系统设备及仪表产生危害的情况，从实际应用中介绍避雷针、屏蔽、接地、均压、加装同轴避雷器、浪涌保护器、电源避雷器和信号防雷器等方式的防雷措施。

3.1直击雷的防护措施

由于雷电持续时间极短，频谱很宽，而天线对地的直流通路要求电阻足够低、电感量尽可能小，其防雷保护的效果差。为了保护天线、馈线及端站其它设备，必须在天线旁边加装避雷针，下端通过专门的引下线连接到接地体接地。

安装要求：避雷针应安装在距离天线的2个波长左右，高度遵循45°角的原则；引下线不得少于2根（其间距不大于18米），最好采用多根引下线，主要起着分流的作用，让雷电流均匀入地，便于散流，以均衡地电位，减少雷击感应；接地体是指埋在土壤中起散流作用的导体，接地电阻一般要求小于4Ω，应将多根接地体连接成地网，形成环型，有利于雷电流的散流和内部电位的均衡。

另外，在天线与馈线的接口之间最好加装同轴避雷器，并要求外壳安全接地，这样在防雷上能够起着双重保护作用。

3.2感应雷的防护措施

感应雷是由直击雷放电而感应到附近的金属导体中的，它是通过两种不同的感应方式侵入设备，一种是静电感应，另一种是电磁感应。主要采用屏蔽、接地、均压、分流和加装浪涌保护器等防护措施。

3.2.1屏蔽。利用屏蔽体来阻挡或衰减电磁脉冲的能量传播，是一种有效的雷电防护措施。系统的防雷屏蔽主要对信号线和电源线屏蔽，为了防止雷电电磁脉冲在信号线或电源线上感应出瞬态过压电波，所有的信号线及低压电源线均采用带有金属屏蔽层的电缆，并要求屏蔽层安全接地。

3.2.2接地。设备的单端接地是防雷的关键措施，其接地系统必须采用等电位连接方式。如：端站的端机柜、接线箱、仪表外壳及屏蔽线等都实行就近单端安全接地，另外还将保护地与工作地相连接，并接入防雷接地系统，使整个接地都处于等电位。

3.2.3均压。均压工作原理是相关设备的接地线相互连接，实现等电位，为雷电瞬态电流提供低阻抗连续通道。为了消除雷电在瞬态电流路径与金属物体之间的击穿放电，将系统设备（电源、电台、采集器和仪表等）的金属外壳、天线馈线的屏蔽层及信号线屏蔽层连接在一起，引入防雷接地系统，形成完善的等位连接。

3.2.4浪涌保护器。浪涌保护器（SPD）的工作原理是当浪涌侵入时，将所连接部分与地线短路，使线路中的浪涌电流迅速释放入地，从而使线路所连接的设备不受浪涌的损害。针对系统设备的实际情况，主要在稳压电源、压力变送器和水位变送器等信号线上加装浪涌保护器，以应对浪涌侵入。

3.3传导雷的防护措施

传导雷是直击雷放电并沿着附近的电力或信息通讯的线路侵入设备。根据传导雷的侵入途径，在提供给稳压电源的供电线路上安装电源避雷器。考虑到我国电网电压普遍不稳定、波动范围大的实际情况，应尽量选择残压较低的，且最大连续工作电压有足够高的电源避雷器。其原因，残压特性是电源避雷器的最重要特性，残压越低，保护效果越好；最大连续工作电压偏低，则容易造成避雷器自毁。

电源避雷器的安装要求，它的接地端与接地网的连接引线尽可能短，并足够粗，这样才能起着更好的防护作用。

还有，在调度中心运行供水软件系统的计算机与外部互联网连接，故也要在信息传输线路上加装信号防雷器，以防止传导雷侵入。

4结束语

本文以介绍电子设备在供水SCADA系统应用中的雷电防护技术，简要讲述防雷装置中需要考虑到的各类因素和防雷的综合措施，为电子设备维护人员提供可行性的解决防雷思路。