防雷技术在水厂自动化系统中的应用

摘要：计算机、通讯和微电子产品的广泛应用使工业生产自动化程度越来越高，由于这些产品大量采用高度集成化的CMOS电路和CPU单元，其对瞬态过电压的承受能力十分脆弱，成为受雷电损害的主要设备。本文分析、讨论了自动化系统的防雷问题，着重阐述了水厂自动化系统的综合防雷措施。

关键词：水厂、自动化系统、防雷

中图分类号：TP27文献标识码： A 文章编号：

随着计算机、通讯和微电子技术的和广泛应用，目前水厂的自动化控制普遍采用由工业计算机IPC和可编程控制器PLC组成及流量计、水位计等的监控网络。由于这些设备大量采用大规模集成电路，成为水厂受雷电损害的主要设备，这些设备的运行正常与否直接影响到水厂安全供水及至整个城市的运转秩序，因此对自动化系统采取有效的保护措施是至关重要的。

1雷电的危害

依据GB7450-87（电子设备雷击保护导则），雷电对电子设备的危害有以下三种：

直击雷：雷电直接击中线路并沿导线或电缆流过大量的雷电流，持续时间达若干微秒，使线路设备有实质性的破坏。直击雷的能量和破坏力相当巨大，但其遭受概率是有限的。

感应雷：通过雷云之间或雷云对地的放电，在附近的架空线路、埋地线路或类似传导体上产生的感应过电压。其破坏力虽没有直击雷那么大，但影响的范围和遭受的概率却十分大。

地电位升：雷电流通过接地装置流入大地所引起大地电位的升高，危害设备对地的绝缘。

2什么是电涌

电涌被称为瞬态过电，是电路中出现的一种短暂的电流、电压波动,在电路中通常持续约百万分之一秒。220 伏电路系统中持续瞬间(百万分之一秒)的 5,000或10,000伏的电压波动，即为电涌或瞬态过电。它通常有两种产生途径：雷击和电气开关动作。

3电涌对电子设备的危害

电涌使电子设备讯号或数据的传输与存储都受到干扰甚至丢失，至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪；重复影响而降低电子设备寿命甚至立即烧毁元器件及设备。这一切都会给生产和工作带来较大损失。

通常，在水厂的设计建设中对于直击雷的防护已经有比较完善的措施。自动化系统设备损坏的主要原因是雷电感应浪涌电压造成的。资料统计雷电波感应占计算机类设备雷击事故原因的85%。雷电波感应对自动化系统的破坏，主要是通过侵入电源线、天馈线、通讯线和信号线而损坏电源、通讯和I／O模板；也可能因感应从信号采集线和接地网引入有害的信号电流和接地电流，损坏自动化系统或影响其运行。由此可见，要有效地做好水厂自动化系统的雷电防护，应从整个配电系统、信号系统、天馈系统、微机网络等几个方面入手，采用接闪、分流、均压、屏蔽与接地等手段，进行全方位的防雷防过电压保护。

4水厂自控系统防雷措施

根据电涌产生、危害途径和自控系统的特点，我们认为应从配电系统防雷、自控系统网络线路防雷、构筑物防雷、合理接地等四方面着手。

4.1自控配电系统的防雷

当雷击输电线或雷闪放电在输电线附近时，都将在输电线路上形成雷电冲击波，其能量主要集中在工频至几百赫的低端，容易与工频回路耦合。雷电冲击波从配电线路进入自控设备的电源模块及从配电线路感应到同一电缆沟内的自控网络线上进入自控设备的通讯模块的几率比从天馈和信号线路进入的要高得多。因此配电线路的防雷是自控系统防雷的重要部份。

水厂的配电系统在高、低压进线都已安装有避雷装置，但自控设备的电源仍会遭受雷击而损坏。这是因为这些装置的保护对象是电气设备，而自控设备耐过压能力低，同时，这些避雷器启动电压高而且有些有较大的分散电容，与设备负载之间成为分流的关系，从而加在自控设备上的残压高于避雷装置的启动电压，极易造成自控设备损坏。同时大型设备启停产生的操作过电压也是危害自控系统的重要原因之一。

对电源防雷应采取多级保护措施，从高压柜、低压柜、主配电箱、分配电箱逐级保护，把雷电过电压降到设备能够承受的水平。有条件尽可能以从总配电柜开始将自控系统的电源线单独布排。各级避雷器应尽量靠近被保护设备以免雷电侵入波发生正的全反射。

4.2通讯线、天馈线避雷

自控系统网络传输线主要使用的是光纤和双绞线。其中光纤不需要特别的防雷措施，但若室外的铠状光纤是架空的，需要将光纤的金属部分接地。水厂自控系统通讯线一般都采用特制屏蔽双绞线，并且一般都是穿管直埋(或电缆沟)铺设，所以雷电在此处的感应电压不高(1KV-2KV)。但由于其直接进入PLC或计算机通讯口这一薄弱环节(正常电压一般为正负5V、12V、24V、48V等)，在雷击发生时网络线感应到的过电压，足以一次性破坏网络。即使不能一次性破坏设备，但每一次的过电压冲击都加速了网络设备的老化，影响数据的传输和存储，甚至死机，直至彻底损坏。所以网络信号线的防雷对于网络集成系统的整体防雷来说，是非常重要环节。应将此类信号线敷设在屏蔽线槽中，屏蔽线槽应良好接地；也可穿金属管敷设，金属管应全线保持电气上的连通，并且金属管两端应良好接地。

计算机数据交换或通讯频率是从直流到几十兆赫兹(据系统而定)，选用避雷器时应以通讯电平和频率或速率来确定，对于比较高频的讯号便需要特殊设计的防雷器以确保其阻抗与该系统对应，否则会有信号反射的现象。避雷器应靠近通讯接口处安装(减小反射损耗)。网络通讯线路避雷的最好方法当然是采用光纤网络。

水厂的监控设备功率低，其连接线都采用同轴电缆。所以对天馈的防雷主要是选用同轴电缆避雷器(直击雷防护见后)。由于雷电波与有用通讯信号频段相距很远。把这两种信号分开的有效手段就是采用高通滤波器，在选用这类产品时，应据通讯频率和传输功率而定(天线应置于构筑物避雷网45°角内，否则须有相应接地措施)。

4.3合理接地

防雷的最终措施是“泄放”，因而对接地切不可轻心。一般水厂的接地主要有构筑物接地、配电系统及强电设备接地、计算机自控系统接地。如这三种接地配置不合理，极易在雷击时通过接地网对自控系统造成反击。

计算机自控系统是一个特殊用电系统，它包括以下几种接地：系统工作地(小于4欧)，直流工作地(信号屏蔽地、逻辑地等小于2欧)，安全保护地(小于4欧)。在安装时难以分开(特别是对PLC系统)，对这一系统采用联合接地较好。接地电阻取最小值，至少小于2欧。

地网分开设置时应注意避免地网之间的闪络。雷击时，会在地网及附近导体中产生很高电位，地网分开，则可能造成接闪接地体向其它接地体闪络。所以，为避免不同系统接地而引入不同电位，导致人身和设备事故，根据规范要求，各接地系统的距离必须大于20M，且它们的接地极和地线要保持绝缘，绝缘电阻应在2MΩ以上，接地电阻小于4Ω。

接地系统的关键是地下的接地装置，这经常成为建立有效接地系统的最大困难。要提供最小而又能长期保持的低阻抗对地泄流，应考虑诸如土壤条件、接地装置与土壤的接触面、接地装置的长期效果（寿命）等因素。

五、避雷器的选型

要发挥良好避雷功能，避雷器的选型很重要，防雷器应不会对保护的设备或线路造成任何干扰和中断现象。在实际工作中，避雷器的选择除了技术先进、设计合理外还要注重以下几点：

⑴反应时间避雷器的反应必须比电涌的速度快。一般在纳秒级均符合技术要求。

⑵一次处理的最大电流最大电流（即峰流）是指避雷器的处理最大电流的能力。

⑶吸收能量的能力避雷器吸收能量的能力越高，避雷器的使用寿命越长。

⑷钳制电压的能力将过电压钳制到电器设备所能承受的安全范围之内的能力。

⑸体积的大小避雷器体积越小，电感也越小，防护效果也就越好。

⑹符合国际和国家标准常见标准有国际标准UL1449、ANSI/IEEE、NEMA、IEC和国家标准GA173-1998。

安装电源避雷器时，要求避雷器的接地端与接地网之间的连接距离尽可能越近越好。如果避雷器接地线拉得过长，将导致避雷器上的限制电压（被保护线与地之间的残压）过高，可能使避雷器难于起到应有的保护作用。

六、运行维护

对自动化系统防雷保护必须坚持预防为主，安全第一的指导方针。

⑴每年雷雨季节前应对接地系统进行检查和维护。主要检查连接处是否紧固、接触是否良好、接地引下线有无锈蚀、接地体附近地面有无异常，必要时应挖开地面抽查地下隐蔽部分锈蚀情况，如果发现问题应及时处理。

⑵接地网的接地电阻应每年进行一次测量。

⑶每年雷雨季节前应对运行中的避雷器进行检查，发现问题时及时处理。

结束语：

防雷保护设计是一项复杂的工程设计，想做到万无一失是很难的。采用任何一种单一的防雷器件都难以保证其安全，必须采取综合防护的措施，将各类可能引起雷害的因素排除，才能将雷害减少至最低限。