排水泵站自控系統(tǒng)防雷措施淺談

　　市屬排水泵站大多位于城區(qū)邊緣，且毗鄰江河堤岸的開闊地帶，地勢(shì)低洼，春夏兩季極易遭受雷電襲擊。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，泵站的自動(dòng)化控制也逐步采用由工業(yè)控制機(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(duì)瞬態(tài)過電壓的承受能力十分脆弱，成為泵站易受雷電損害的主要設(shè)備。可見對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)采取有效的保護(hù)措施非常必要。

 

　　一、雷電的危害途徑

 

　　雷電的危害途徑有5種，一是直擊雷：雷電直接擊在建筑物、構(gòu)架、樹木等物體上，由于熱電效應(yīng)等混合力作用直接對(duì)物體造成傷害；二是雷云下的靜電感應(yīng)：一般針對(duì)線路而言，在一定強(qiáng)度的雷云下在高壓架空線路上可以感應(yīng)出300—400kV的過電壓、在低壓架空線路上可以感應(yīng)出100kV的過電壓、在電信線路上也可感應(yīng)出40—60kV的過電壓；三是雷電的電磁感應(yīng)：雷電流經(jīng)引下線入地時(shí)，在引下線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)、引下線周圍的各種金屬管線上經(jīng)感應(yīng)產(chǎn)生瞬間過電壓； 四是地電位反擊：直擊雷經(jīng)接閃器如避雷針、避雷網(wǎng)等而直放入地，導(dǎo)致地網(wǎng)地電位上升，高電壓經(jīng)設(shè)備接地線引入電子設(shè)備造成反擊；五是雷電波侵入： 電源線和通信線遭受直擊雷或感應(yīng)雷加載了過電壓及雷電流以感應(yīng)的方式耦合到線路上，進(jìn)而入侵設(shè)備。

 

　　二、瞬態(tài)過電壓對(duì)自控設(shè)備的危害

 

　　通常，在泵站的設(shè)計(jì)建設(shè)中對(duì)于直擊雷的防護(hù)已經(jīng)有比較完善的措施。自動(dòng)化系統(tǒng)大部分置于泵房構(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。根據(jù)雷電電磁脈沖(LEMP)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明：

 

　　電子計(jì)算機(jī)及其它自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備損壞的主要原因是雷電感應(yīng)浪涌電壓造成的。雷電感應(yīng)浪涌電壓是一種產(chǎn)生在微秒至毫秒之間的尖峰沖擊電壓，即瞬態(tài)過電壓。它可以通過電源線、天饋線、通訊線和信號(hào)線把感應(yīng)浪涌電壓波引入設(shè)備內(nèi)部，分別損壞電源模板、通訊模板、I/0模板，致使設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作、暫時(shí)癱瘓或立即燒毀元器件。如今年3月份我處黃浦污水處理站遭受雷電襲擊，瞬態(tài)過電壓致使PLC接口、UPS的保險(xiǎn)、工控機(jī)的端口和電源以及電話線路均遭損壞。

 

　　三、排水泵站自控系統(tǒng)防雷措施

 

　　由此可見，現(xiàn)有的雷電防護(hù)體系已不能滿足當(dāng)前自動(dòng)化系統(tǒng)的安全要求，應(yīng)從單純的一維無源防護(hù)轉(zhuǎn)為針對(duì)防直擊雷、防靜電感應(yīng)、防雷電電磁感應(yīng)、防地電位反擊、防感應(yīng)雷電波侵入以及操作瞬態(tài)過電壓影響等的有源與無源防護(hù)相結(jié)合的三維防護(hù)體系。我們應(yīng)從泵站自動(dòng)化系統(tǒng)的整個(gè)配電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)、微機(jī)網(wǎng)絡(luò)等幾個(gè)方面入手，采用接閃、分流、均壓、屏蔽與接地等手段，進(jìn)行全方位的防雷防過電壓保護(hù)。

 

　　(一) 自控配電系統(tǒng)的防雷

 

　　當(dāng)雷擊發(fā)生在輸電線路或在輸電線路附近時(shí)，都將在輸電線路上形成雷電沖擊波，雷電沖擊波容易與工頻回路耦合，從而進(jìn)入自控設(shè)備的電源模塊，因此，配電線路的防雷是自控系統(tǒng)防雷的重要部分。采用三級(jí)浪涌電壓保護(hù)器(也叫瞬態(tài)過電壓保護(hù)器 SPD)是自控系統(tǒng)目前比較理想的防雷保護(hù)措施。

　　采用這種措施與其他防雷措施一樣，要特別注意將自控設(shè)備的電源用線與照明等其他用電線路嚴(yán)格分開。三級(jí)浪涌電壓保護(hù)器的分布為：第一級(jí)在變壓器二次側(cè)、進(jìn)線柜斷路器后的三根相線和中性線上，分別對(duì)地并聯(lián)，主要泄放外線等產(chǎn)生的較強(qiáng)過電壓，其雷通量大，但是這些避雷器啟動(dòng)電壓高而且有較大的分散電容，與負(fù)載之間成為分流的關(guān)系，從而使加在下一級(jí)設(shè)備上的殘壓高，一般為避雷器啟動(dòng)電壓的2～2.5倍。第二級(jí)在PLC或UPS等專用配電母線處的三根相線和中性線上，分別對(duì)地并聯(lián)，主要泄放第一級(jí)殘壓，分流配電線路上傳輸過程中的感應(yīng)或耦合過電壓和其它用電設(shè)備的操作過電壓，有效抑制各種電磁干擾。第三級(jí)在PLC、UPS或其它自控設(shè)備接線板熔斷器后的相線和中性線上，分 別對(duì)地并聯(lián)，主要泄放前面的殘壓，進(jìn)一步保護(hù)設(shè)備不受過電壓的干擾。

 

　　(二) 信號(hào)系統(tǒng)與天饋系統(tǒng)防雷

 

　　自控系統(tǒng)信號(hào)線一般都采用特制屏蔽雙絞線(如DH+、MB+)，一般穿管鋪設(shè)，雷電在此處感應(yīng)電壓在lkV—2 kV范圍內(nèi)，但其直接進(jìn)入PLC或計(jì)算機(jī)通訊口(電壓在5V—48V之間)，可能會(huì)造成的較大的損害。計(jì)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)，在選用避雷器時(shí)要選用專用信號(hào)SPD。當(dāng)通信電纜感應(yīng)雷產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓時(shí)，雷電流通過SPD支路泄放到大地，SPD的輸出限制在設(shè)備的允許電壓上。

 

　　泵站間的無線電通訊功率低，其連接線都采用同軸電纜。對(duì)天饋的防雷主要是選用天饋線路SPD，用來抑制從天線引入的雷電波，它采用波道分流技術(shù)，將雷電流和有用的信號(hào)分開。當(dāng)受到雷擊時(shí)快速有效的將感應(yīng)雷電流通過雷電支路泄放到大地。

 

　　(三) 屏蔽、等電位處理

 

　　泵房控制室內(nèi)的電力電纜(線)、通信電纜(線)應(yīng)該盡量采用屏蔽電纜。在控制室還可以沿地面上布紫銅排，形成閉環(huán)接地匯流母排，將配電柜(箱)金屬外殼、電源地、SPD接地、機(jī)柜外殼、門窗等電位接地就近接到匯流母排上并采用4—10平方毫米銅芯線作為等電位連接線。

 

　　(四) 合理接地

 

　　防雷的首要原則是將雷電流直接接閃引入地下泄放，因而對(duì)“接地”一定要重視起來。一般站內(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(jì)算機(jī)自控系統(tǒng)接地。

 

　　1、構(gòu)筑物接地通常采用避雷針、避雷帶或消雷器，它們的接地處理除用建筑物內(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)。因?yàn)槿绻麅H僅采用構(gòu)筑物鋼筋結(jié)構(gòu)接地，在構(gòu)筑物修建時(shí)其鋼筋焊接質(zhì)量不一定能得到保證，雷擊時(shí)其均壓要求不能保證，容易在構(gòu)筑物內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)。并且這些接閃器的引下線還應(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(jì)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。

 

　　2、配電系統(tǒng)及強(qiáng)電設(shè)備的接地問題已經(jīng)有相當(dāng)成熟的措施，而且使用效果也比較理想，尚未出現(xiàn)大的問題，在此就不再敘述。

 

　　3、計(jì)算機(jī)自控系統(tǒng)是一個(gè)特殊用電系統(tǒng)，它包括以下幾種接地：系統(tǒng)工作接地(接地電阻不大于4歐姆)，安全保護(hù)接地(接地電阻不大于4歐姆)，直流工作接地（信號(hào)屏蔽地、邏輯地等不大于2歐姆)。泵站現(xiàn)有狀況下難以分開，可以采用聯(lián)合接地，但要保證接地電阻一定要小于2歐姆。

　　4、三大接地網(wǎng)應(yīng)分開設(shè)置，主要考慮到以下三個(gè)原因：一是泵站構(gòu)筑物大多數(shù)在修建時(shí)未考慮計(jì)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。二是一個(gè)泵站內(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(gè)接地系統(tǒng)，由于用電的復(fù)雜性，在運(yùn)行和雷擊時(shí)常常使零線(地線)電流不為零(Id)。如采用聯(lián)合接地時(shí)(Rd)，必然使計(jì)算機(jī)接地電位抬高到Id〓Rd，從而可能造成反擊。黃浦站的雷擊事故經(jīng)市防雷中心檢驗(yàn)測(cè)試，斷定原因之一便是電位反擊造成的。三是新增計(jì)算機(jī)、PLC系統(tǒng)時(shí)，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，其接地電阻要保證小于0.5歐姆，這樣一般難以做到而且造價(jià)高昂。地網(wǎng)分開設(shè)置時(shí)應(yīng)注意避免地網(wǎng)之間的閃絡(luò)。雷擊時(shí)，會(huì)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，當(dāng)涉及自控系統(tǒng)接地時(shí)地網(wǎng)之間的距離應(yīng)大于10M。在接地線引入室內(nèi)時(shí)，若與其它地網(wǎng)距離太近，可局部采取既絕緣又屏蔽的措施。

 

　　參考文獻(xiàn)：

 

　　1、《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-94

 

　　2、《計(jì)算機(jī)房防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB-50174-93

 

　　3、《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)雷擊事故的防范》 陶漢雄 《電世界》2003年02期

 

　　4、《信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)》 范大勇 《電世界》2003年02期