净水厂自控防雷系统设计实际应用研究

摘 要 闪电电荷在上升至峰值电流的过程中，会产生瞬时高感应电压与电流，即为雷电的二次效应，一旦其侵入自动化控制系统的电源或者通信接口，轻则会导致系统失灵，重则会导致永久性的损毁。瞬间过电压会造成电子设备信号受到干扰，数据在传输与存储的过程中都可能受到影响，最终影响到电子设备的正常动作。因此对于净水厂而言，自控防雷系统的设计与应用有着重要的现实意义，本文就针对该问题展开讨论。

关键词 净水厂；自控系统；防雷设计

中图分类号TM732 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）69-0096-02

1 自控配电系统的防雷

假如输电线路受到雷击，或者雷闪放电与输电线的距离相对比较近，就会在输电线路上产生雷电冲击波，冲击波经过配电线路进入到自控设备的电源模块。通过配电线路感应到同一电缆沟的自网络线进入自控设备通讯模块的几率，要比通过天馈与信号线路进入的机率大出多倍，因此对自控系统配电线路采取可靠的防雷措施非常重要。一般净水厂的配电系统均会设置避雷装置，不过由于避雷装置的保护对象往往是电气设备，因此自控设备的电源模块就有受到雷击的可能。通常避雷设置的起动电压要求比较高，但是自控设备的耐过压能力却比较低，有些还设置了较大的分散电容，和设备负载形成分流关系，所以避雷设备的起动电压低于自控设备的残压，从而损坏自控设备。此外，大型设备在启停过程中也会出现过电压，对自控系统产生损坏。所以单级保护或者采用单一器件很难满足自控设备对电源的要求，需要采取多级防护措施。具体防护措施的级别要根据实际情况的要求来确定，下面介绍一种三级保护方案：

可以在变压器二次侧设置第一级，其主要作用是泄放外线等产生的过电压，起动电压比较高，雷通量大；而各控制站PLC专用隔离变压器前可以设置第二级，其主要作用是泄放配电线路所感应的过电压、上级残压以及其它设备的操作过电压，二级防护的电流量与起动电压水平居中，需要注意的是一定要安装隔离变压器，其对于电磁干扰以及雷电波有着非常有效的抑制作用；三级防护则设置在PLC专用电源模板前，其主要作用是泄放前面的残压，完全可达到箝位输出，响应速度快，残压也很低。

如果条件允许，自控系统的电源线尽量由总配电柜开始就单独敷设，为防止雷电侵入波发生全反射，每级避雷设备尽可能不要与被保护设备距离太远；根据系统的实际情况设定各级防护设施的起动电压，不过最后一级尽可能达到箝位输出。如果净水厂自控系统采用了电子避雷设备，通常不会再受到过电压损坏。

2 信号系统与天馈系统的防雷措施

通常总控站是控制与信息中心，也是净水厂的生产监控与调度中心，该建筑物内集中了各种计算机通讯设备，还有各类仪器仪表，有些电台与天馈线也在总控站内。这种建筑物在修建过程中会使用大量的金属材料，比如铝或者铁等，因此相对其它建筑而言防雷要求更高，设置防雷措施的主要目的就是形成均压等电位屏蔽。控制站所在建筑物不能仅仅安装避雷针，要保证建筑安全还要设置避雷带与避雷网，这是因为净水厂往往位于空旷地势，与水源相近，尽管建筑物高度不高，但也容易受到各种形式、不同方向的雷击。假如建筑物内设置有控制站，则要保证其接低电阻控制在10欧内。有些设备装设有通信铁塔或者天馈线，则一定要设置避雷针，并且要在建筑物避雷网45度的范围内。可以利用建筑物自身的钢筋结构实现避雷针和通信铁塔的接地，并且单独敷设引下线引至建筑物的接地网。但是在建筑物修建过程中，无法绝对保证钢筋的焊接质量符合设计要求，在受到雷击时其均压要求也无法得到保证，会导致建筑物中出现强磁场，因此不可只是单纯的利用建筑物钢筋结构接地，还要将建筑外墙以及建筑物所有为金属材质的门窗连接到建筑物接地网的范围。

由于雷电主要通过感应进入自控系统的，因此还要多设置几条避雷设施的引下线，从而雷电电流的分流途径就会更多，每条线上的泄放电流量均会减小，最终感应能量也相应的降低，还有一些室内的计算机和自控设备与避雷网导地金属体的距离要尽可能远些。

此外，净水厂有些诸如一次仪表、摄像头、天线以及传感器等设备和仪表是露天设置的，针对这些设施，要将其置于有效防御直击雷的保护范围内，且防御感应雷的措施也是必不可少的；如果一些设备出于各种原因无法设置在避雷设施的防护范围内，则要在设备上加设避雷针进行防护。

3 屏蔽与等电位的处理

在屏蔽的作用下，可以最大程度上防止雷电电磁脉冲侵害到自控系统设备。通常中央控制室与各个PLC子站都属于框架式的建筑，所以建筑的梁、柱子会组成一个格栅屏蔽，该结构能够有效的屏蔽建筑以外雷电所产生的电磁冲，则空间磁场就会有所衰减。采用金属屏蔽线槽架设自控系统的布线，并且金属线槽两端也要进行接地处理，其接头处进行跨接处理，其主要目的是防止自控线路之间产生互感电流，也可以避免线路的耦合；如果线路走线未采用金属屏蔽线槽，则要在进入建筑物前15m处穿金属管直埋，并且要保证两头接地良好，且电气导通。在做好上述基础措施后，再将控制室、各个PLC分站系统中的各类接地、室内零电位金属导体通过粗导线全部连接到附近的汇流排，从而形成局部的等电位连接。入侵到自控系统内部的雷电流可以通过局部等电位连接所提供的低阻抗连续通道而进入大地泄放，这是由于各种金属物连接成了一个统一的导电体，其内部所产生的电位差也不会太明显，从而控制室以及子站的设备不会出现电位反击，同时也不会出现对人身安全有危害的接触电压。由于未实现和建筑物防雷设备的等电位连接，所以电位差反击的机率仍然存在，此时自控设备要尽可能远离建筑物的金属体，最好置于建筑物内中心位置。

4 合理接地

其实防雷的终极措施就是泄放，所以接地十分重要。通常净水厂内的接地主要有三种，即建筑物接电、计算机自控系统接地以及配电系统与强电设备的接地，只有合理配置这三种接地，才能保证系统受到雷电侵袭时不会通过接地网而反击自控系统。特别提出的是需要进行等电位连接，这样就可以将雷电导致的毁坏性电位差彻底的消除。电源线、金属管线以及信号线等均要进行等电位连接，可以通过过压保护器实现，完成局部的等电位连接后再连接主等电位点。有些点没有连接在一起，可以通过等电位火花隙相连接，如果处于正常状态时，各自独立，如果受到雷电侵袭则导通等电位火花隙，从而各接地系统的电位会同时升高，最终形成等电位。

5 防雷器的选择安装

防雷器性能的优劣直接影响到避雷效果，一个性能良好的防雷要具备切实的保护功能，且在应用过程中不可干扰到保护对象的正常工作，所以在防雷设备的选择方面需要注意以下几个事项：第一，防雷器的动作响应时间要尽可能够短，其响应速度一定要比瞬态过电压冲击的速度要快，一旦出现浪涌就要快速启动释放掉浪涌的能力；通常雷电流的冲击速度要用微秒甚至毫秒来计算，防雷器的响应速度要在纳秒级内才能有效协防。第二，防雷器的容通量要尽可能大，因为泄放的电流越大，抵御电击的能力就越强。第三，信号防雷器在线阻抗最好不要过大，这样防雷器接入对接入回路信号衰减的影响就会降低，通常在线阻抗要小于10Ω，如果有特殊要求，则要小于5Ω。第四，防雷器的残压要尽可能低，把过电压控制在安全范围，从而降低仪器设备，特别是精密仪器、计算机设备受残压损害的机率。第五，有些线路用于传输频率信号，此时要求防雷器要可以满足正常信号的传输，其频宽要足够。第六，通常情况下如果线路上安装防雷器的数量比较多，要注意电压开关型防雷器和限压型防雷器间的线路长度至少要大于10m，限压型防雷器的间距至少要大于5m，如果实际施工过程中各类防雷器的间隔要求无法满足，则要在中间加设退耦设备。第七，注意防雷器接口与受保护设备的兼容性，防雷器体积不可过大，且防雷器需要合理的装设在合理的地方；如果同一个柜内需要装设多个防雷器和退耦设备，则要保证柜内的散热，并防止退耦装置接头的氧化升温。

此外，防雷器正确的安装方式也很重要，具体施工时需注意以下几点：第一，要保证防雷器的接地性能良好，因此要保证通畅、可靠的防雷器接地泄放通道；第二，在防雷器信号与接地线连接时，要将其冗余部分尽量减少，特别是为了防止自身泄放电流形成电磁场对线路的正常工作产生影响，接地线尽量减少绕环布线；第三，如果防雷器需要设置在室外，则一定要安装在电气箱内，且电气箱的防护等级需要达到IP65。为了保证防雷设备保持良好的工作状态，要对其进行常态检查，尤其有些防雷器带有冲击保险模块，更要对其保险状态进行检查，如果发现损坏需及时更换，为便于直接检查可以设置可视窗口。

参考文献

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