探討水廠自動化系統(tǒng)防雷技術(shù)

   隨著計算機(jī)技術(shù)(Computer)、控制技術(shù)(Control)、通訊技術(shù)(Communication)、顯示技術(shù)(CRT)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，目前水廠的自動化控制普遍采用由工業(yè)計算機(jī)IPC或可編程控器PLC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(luò)。由于這些設(shè)備大量采用高度集成化的CMOS電路和CPU單元，其對瞬間過電壓的承受能力大幅降低，成為水廠受雷電損害的主要設(shè)備。所以對自動化系統(tǒng)采取有效的保護(hù)措施是非常必要的，明析瞬間過電壓產(chǎn)生途徑和危害是正確采取防護(hù)措施的前提。 一、瞬間過電壓的產(chǎn)生    瞬間過電壓是指在微妙至毫秒之內(nèi)所產(chǎn)生的的尖峰沖擊電壓而非一般電源上的所謂過壓(一般電源過壓可能維持?jǐn)?shù)秒及以上)，瞬間過電壓有兩種產(chǎn)生途徑：雷擊和電氣開關(guān)動作。 　　1、一般構(gòu)筑物避雷網(wǎng)只能保護(hù)其本身免受直擊雷損害，雷擊會通過以下兩種方式破壞電子設(shè)備：①直擊到電源輸入線，經(jīng)電源線進(jìn)入而損害設(shè)備，因電力線上安裝的各種保護(hù)間隙和電力避雷器，只可把線對地的電壓限制到小于6000伏(IEEE C62.41)，而線對線無法控制。②以感應(yīng)方式(電阻性、電感性、電容性)偶合到電源、信號線上，最終損害設(shè)備。 　　2、當(dāng)電流在導(dǎo)體上流動時，會產(chǎn)生磁場存儲能量并與電流大小和導(dǎo)線長度成正比，當(dāng)電器設(shè)備(大負(fù)荷)開關(guān)時會便產(chǎn)生瞬間過電壓而損害設(shè)備。 二、瞬間過電壓對電子設(shè)備的危害    瞬間過電壓使電子設(shè)備訊號或數(shù)據(jù)的傳輸與存儲都受到干擾甚至丟失，至使電子設(shè)備產(chǎn)生誤動作或暫時癱瘓；重復(fù)影響而降低電子設(shè)備壽命甚至立即燒毀元器件及設(shè)備。這一切都會給生產(chǎn)和工作帶來較大損失。    通常水廠自動化系統(tǒng)的控制站都置于構(gòu)筑物之中，網(wǎng)絡(luò)線、電源線鋪設(shè)于電纜溝中，因而遭受直接雷擊的可能性不大，其防護(hù)的主要對象是雷電波侵入(感應(yīng))。按國外資料統(tǒng)計雷電波侵入(感應(yīng))占計算機(jī)類設(shè)備雷擊事故原因的85%，按成都市自來水總公司資料統(tǒng)計占水廠自動化系統(tǒng)雷擊事故原因的100％。雷電波侵入(感應(yīng)偶合)對自動化系統(tǒng)的破壞，主要是通過侵入電源線、天饋線、通訊線和信號線而分別損壞電源模板、通訊模板、I／O模板；也可能因感應(yīng)從信號采集線和接地網(wǎng)引入有害的信號電流和接地電流，損壞自動化系統(tǒng)或影響其運(yùn)行。    根據(jù)瞬間過電壓產(chǎn)生、危害途徑和自控系統(tǒng)大量采用高度集成化的CMOS電路和CPU單元及集控制、通訊、監(jiān)測為一體且分散面廣的特點(diǎn)，我們認(rèn)為對自控系統(tǒng)要盡可能降低雷電帶來的損失，就必須采取系統(tǒng)的、綜合的防雷措施。特別應(yīng)從配電系統(tǒng)防雷、自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)線路防雷、構(gòu)筑物防雷和合理接地等四方面著手。 　　1、自控配電系統(tǒng)的防雷    當(dāng)雷擊輸電線或雷閃放電在輸電線附近時，都將在輸電線路上形成雷電沖擊波，其能量主要集中在工頻至幾百赫的低端，容易與工頻回路耦合。雷電沖擊波從配電線路進(jìn)入自控設(shè)備的電源模塊以及從配電線路感應(yīng)到同一電纜溝內(nèi)的自控網(wǎng)絡(luò)線上進(jìn)入自控設(shè)備的通訊模塊的幾率比從天饋和信號線路進(jìn)入的要高得多。因此配電線路的防雷是自控系統(tǒng)防雷的重要部份。    水廠的配電系統(tǒng)在高、低壓進(jìn)線都已安裝有閥型避雷器、氧化鋅避雷器等避雷裝置，但自控設(shè)備的電源機(jī)盤仍會遭受雷擊而損壞。這是因?yàn)檫@些措施的保護(hù)對象是電氣設(shè)備，而自控設(shè)備耐過壓能力低，同時，這些避雷器啟動電壓高而且有些有較大的分散電容，與設(shè)備負(fù)載之間成為分流的關(guān)系，如《圖一》，從而加在自控設(shè)備上的殘壓高，至少高于避雷裝置的啟動電壓，一般為峰峰值2-2.5倍(單相殘壓不低于800V)，極易造成自控設(shè)備損壞。同時大型設(shè)備啟停產(chǎn)生的操作過電壓也是危害自控系統(tǒng)的重要原因之一。 　　

   由上述，用單一的器件或單級保護(hù)很難滿足要求自控設(shè)備對電源的要求，所以對電源防雷應(yīng)采取多級保護(hù)措施。具體級數(shù)根據(jù)各自實(shí)際情況而定，《圖二》為自來水司水廠采用的三級保護(hù)方案。(原有的高壓避雷器保留) 　　

   第一級在變壓器二次側(cè)，主要泄放外線等產(chǎn)生的過電壓，其雷通量大，啟動電壓高(920-1800V)。 第二級在各控制站PLC專用隔離變壓器前，主要泄放第一級殘壓、配電線路上感應(yīng)出的過電壓和其它用電設(shè)備的操作過電壓、其電流通量居中，啟動電壓居中(470-1800V)。隔離變壓器的安裝非常重要，它能有效抑制各種電磁干擾，對雷電波同樣有效。 末級在PLC專用電源模板前，主要泄放前面的殘壓，完全可達(dá)到箝位輸出，其殘壓低，響應(yīng)時間快。 　　　　有條件盡可能以從總配電柜開始將自控系統(tǒng)的電源線單獨(dú)布排。各級避雷器應(yīng)盡量靠近被保護(hù)設(shè)備以免雷電侵入波發(fā)生正的全反射。各級啟動電壓可據(jù)系統(tǒng)而定，但末級應(yīng)盡量達(dá)到箝位輸出。國內(nèi)和國外的各系列電子避雷器均有較好的性能，其原理圖如圖三。有些還增加了放電管、雷擊計數(shù)器、避雷器漏電流檢測電路，其使用、檢測很方便。自來水司水廠采用電子避雷器后其自控系統(tǒng)一般不會在再遭受過電壓損壞。 　　

   2、通訊線、天饋線避雷    自控系統(tǒng)通訊線一般都采用特制屏蔽雙絞線(如DH 、MB )，并且一般在安裝時都是穿管直埋(或電纜溝)鋪設(shè)，所以雷電在此處的感應(yīng)電壓不高(1KV-2KV)。但由于其直接進(jìn)入PLC或計算機(jī)通訊口這一薄弱環(huán)節(jié)(正常電壓一般為正負(fù)5V、12V、24V、48V等)，故損害也很大。計算機(jī)數(shù)據(jù)交換或通訊頻率是從直流到幾十兆赫茲(據(jù)系統(tǒng)而定)，在選用避雷器件時一般都不采用氧化物避雷器，因?yàn)樗姆植茧娙荽蟆Ω哳l損耗大，除非對之進(jìn)行特殊處理。通常避雷器原理如《圖四》，其中箝位二極管殘壓很低，若額定電壓為24V，則殘壓在于24-30V之間。選用此類避雷器時應(yīng)以通訊電平和頻率或速率來確定，對于比較高頻的訊號便需要特殊設(shè)計的防雷器以確保其阻抗與該系統(tǒng)對應(yīng)，否則會有信號反射的現(xiàn)象。避雷器應(yīng)靠近通訊接口處安裝(減小反射損耗)。網(wǎng)絡(luò)通訊線路避雷的最好方法當(dāng)然是采用光纖網(wǎng)絡(luò)。 　　

   水廠與上級部門及水廠之間的無線電通訊一般距離近，功率低，其連接線都采用同軸電纜。所以對天饋的防雷主要是選用同軸電纜避雷器(直擊雷防護(hù)見后)。我們知道，雷電波能量主要集中在工頻和幾百赫的低端，與有用通訊信號頻段相距很遠(yuǎn)。把這兩種信號分開的有效手段就是采用高通濾波器，在選用這類產(chǎn)品時，應(yīng)據(jù)通訊頻率和傳輸功率而定(天線應(yīng)置于構(gòu)筑物避雷網(wǎng)45?角內(nèi)，否則須有相應(yīng)接地措施)。目前國內(nèi)市場上的同軸電纜避雷器就是利用這一原理。 　　3、控制站構(gòu)筑物的防雷    總控站是控制和信息中心，集中了很多位重值高的計算機(jī)設(shè)備、通訊設(shè)備、儀器儀表，大多數(shù)還有電臺和天饋線，是全廠生產(chǎn)監(jiān)控、調(diào)度中心，在裝修中大量采用了鋁、鐵等金屬材料，所以在防雷上的要求就更高一些，其目的是要形成均壓等電位屏蔽措施。    控制站所在構(gòu)筑物應(yīng)安裝避雷帶、避雷網(wǎng)，只安裝避雷針效果不好，因?yàn)樗畯S構(gòu)筑物高度雖低，但地勢空曠，臨近水源，所以極易遭受各方向的各種形式的雷擊?？刂普舅跇?gòu)筑物的接地電阻須小于10歐。    有天饋線或通訊鐵塔的應(yīng)安裝避雷針，并置于構(gòu)筑物避雷網(wǎng)45?角內(nèi)，避雷針以及通訊鐵塔的接地除用建筑物內(nèi)鋼筋結(jié)構(gòu)接地以外，還應(yīng)單獨(dú)鋪設(shè)引下線引至構(gòu)筑物接地網(wǎng)。如只采用構(gòu)筑物鋼筋結(jié)構(gòu)接地，因?yàn)樵跇?gòu)筑物修建時其鋼筋焊接質(zhì)量不一定能得到保證，雷擊時其均壓要求不能保證而易在構(gòu)筑物內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)磁場。構(gòu)筑物外墻上的所有金屬門窗應(yīng)接入構(gòu)筑物的接地網(wǎng)。    前面已述，雷電的危害途徑主要通過感應(yīng)而進(jìn)入自控系統(tǒng)，所以避雷針、帶、網(wǎng)的引下線應(yīng)盡量多設(shè)幾條，使雷電電流有更多的分流途徑，以減小每條線上的泄放電流量從而降低感應(yīng)能量。室內(nèi)計算機(jī)、自控設(shè)備要盡量置于遠(yuǎn)離避雷網(wǎng)導(dǎo)地金屬體。 　　4、合理接地    防雷的最終措施是"泄放"，因而對"接地"切不可輕心。一般廠內(nèi)的接地主要有構(gòu)筑物接地、配電系統(tǒng)及強(qiáng)電設(shè)備接地、計算機(jī)自控系統(tǒng)接地。如這三種接地配置不合理，極易在雷擊時通過接地網(wǎng)對自控系統(tǒng)造成反擊。    計算機(jī)自控系統(tǒng)是一個特殊用電系統(tǒng)，它包括以下幾種接地：系統(tǒng)工作地(小于4歐)，直流工作地(信號屏蔽地、邏輯地等小2歐)，安全保護(hù)地(小于4歐)。在安裝時難以分開(特別是對PLC系統(tǒng))，對這一系統(tǒng)采用聯(lián)合接地較好。接地電阻取最小值，至少小于2歐。    目前水廠的三大接地網(wǎng)一般是分開設(shè)置的。雖然也有采用部分聯(lián)合接地的，但我們認(rèn)為，在水廠還是分開設(shè)置較好，原因有以下幾點(diǎn)： 　　l、水廠構(gòu)筑物大多數(shù)在修建時未考慮計算機(jī)等弱電設(shè)備，且其接閃地和設(shè)備地本身已分開設(shè)置。 　　2、一個水廠內(nèi)，為普通用電設(shè)備供電的高、低壓配電系統(tǒng)中，都采用一個接地系統(tǒng)，由于用電的復(fù)雜性，在運(yùn)行和雷擊時常常使零線(地線)電流不為零(Id)。如采用聯(lián)合接地時(Rd)，必然使計算機(jī)接地電位抬高到Id Rd，從而可能造成反擊。 　　3、新增計算機(jī)、PLC系統(tǒng)時，若要與構(gòu)筑物接地、配電系統(tǒng)及強(qiáng)電設(shè)備接地聯(lián)合接地，其接地電阻小于0．5歐較安全，這樣一方面造價太高，在某些地質(zhì)條件下很能難做到，另一方面對舊地網(wǎng)(特別是老水廠)處理時比較困難。    地網(wǎng)分開設(shè)置時應(yīng)注意避免地網(wǎng)之間的閃絡(luò)。雷擊時，會在地網(wǎng)及附近導(dǎo)體中產(chǎn)生很高電位，地網(wǎng)分開，則可能造成接閃接地體向其它接地體閃絡(luò)。所以，地網(wǎng)之間的距離SK當(dāng)涉及自控系統(tǒng)接地時應(yīng)大于10M。在接地線引入室