對于水廠自動化系統防雷方法的一些探討

概述　　
隨著計算機技術(Computer)、控制技術(Control)、通訊技術(Communication)、顯示技術(CRT)的發展和廣泛應用，目前水廠的自動化控制普遍采用由工業計算機IPC或可編程控器PLC組成的集數據采集、過程控制和信息傳送于一體的監控網絡。由于這些設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備。所以對自動化系統采取有效的保護措施是非常必要的，明析瞬間過電壓產生途徑和危害是正確采取防護措施的前提。
　　一、瞬間過電壓的產生
　 瞬間過電壓是指在微妙至毫秒之內所產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數秒及以上)，瞬間過電壓有兩種產生途徑：雷擊和電氣開關動作。
　　1、一般構筑物避雷網只能保護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備：①直擊到電源輸入線，經電源線進入而損害設備，因電力線上安裝的各種保護間隙和電力避雷器，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，最終損害設備。
　　2、當電流在導體上流動時，會產生磁場存儲能量并與電流大小和導線長度成正比，當電器設備(大負荷)開關時會便產生瞬間過電壓而損害設備。

　　二、瞬間過電壓對電子設備的危害
　 瞬間過電壓使電子設備訊號或數據的傳輸與存儲都受到干擾甚至丟失，至使電子設備產生誤動作或暫時癱瘓；重復影響而降低電子設備壽命甚至立即燒毀元器件及設備。這一切都會給生產和工作帶來較大損失。
　　通常水廠自動化系統的控制站都置于構筑物之中，網絡線、電源線鋪設于電纜溝中，因而遭受直接雷擊的可能性不大，其防護的主要對象是雷電波侵入(感應)。按國外資料統計雷電波侵入(感應)占計算機類設備雷擊事故原因的85%，按成都市自來水總公司資料統計占水廠自動化系統雷擊事故原因的100％。雷電波侵入(感應偶合)對自動化系統的破壞，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；也可能因感應從信號采集線和接地網引入有害的信號電流和接地電流，損壞自動化系統或影響其運行。
　 根據瞬間過電壓產生、危害途徑和自控系統大量采用高度集成化的CMOS電路和CPU單元及集控制、通訊、監測為一體且分散面廣的特點，我們認為對自控系統要盡可能降低雷電帶來的損失，就必須采取系統的、綜合的防雷措施。特別應從配電系統防雷、自控系統網絡線路防雷、構筑物防雷和合理接地等四方面著手。
　　1、自控配電系統的防雷
　　當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入自控設備的電源模塊以及從配電線路感應到同一電纜溝內的自控網絡線上進入自控設備的通訊模塊的幾率比從天饋和信號線路進入的要高得多。因此配電線路的防雷是自控系統防雷的重要部份。
　 水廠的配電系統在高、低壓進線都已安裝有閥型避雷器、氧化鋅避雷器等避雷裝置，但自控設備的電源機盤仍會遭受雷擊而損壞。這是因為這些措施的保護對象是電氣設備，而自控設備耐過壓能力低，同時，這些避雷器啟動電壓高而且有些有較大的分散電容，與設備負載之間成為分流的關系，如《圖一》，從而加在自控設備上的殘壓高，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)，極易造成自控設備損壞。同時大型設備啟停產生的操作過電壓也是危害自控系統的重要原因之一。
　　
　　由上述，用單一的器件或單級保護很難滿足要求自控設備對電源的要求，所以對電源防雷應采取多級保護措施。具體級數根據各自實際情況而定，《圖二》為自來水司水廠采用的三級保護方案。(原有的高壓避雷器保留)



第一級在變壓器二次側，主要泄放外線等產生的過電壓，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、配電線路上感應出的過電壓和其它用電設備的操作過電壓、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，完全可達到箝位輸出，其殘壓低，響應時間快。
　　有條件盡可能以從總配電柜開始將自控系統的電源線單獨布排。各級避雷器應盡量靠近被保護設備以免雷電侵入波發生正的全反射。各級啟動電壓可據系統而定，但末級應盡量達到箝位輸出。國內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，所以雷電在此處的感應電壓不高(1KV-2KV)。但由于其直接進入PLC或計算機通訊口這一薄弱環節(正常電壓一般為正負5V、12V、24V、48V等)，故損害也很大。計算機數據交換或通訊頻率是從直流到幾十兆赫茲(據系統而定)，在選用避雷器件時一般都不采用氧化物避雷器，因為它的分布電容大、對高頻損耗大，除非對之進行特殊處理。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計的防雷器以確保其阻抗與該系統對應，否則會有信號反射的現象。避雷器應靠近通訊接口處安裝(減小反射損耗)。網絡通訊線路避雷的最好方法當然是采用光纖網絡。
　　
　　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。把這兩種信號分開的有效手段就是采用高通濾波器，在選用這類產品時，應據通訊頻率和傳輸功率而定(天線應置于構筑物避雷網45°角內，否則須有相應接地措施)。目前國內市場上的同軸電纜避雷器就是利用這一原理。

　　3、控制站構筑物的防雷
　　總控站是控制和信息中心，集中了很多位重值高的計算機設備、通訊設備、儀器儀表，大多數還有電臺和天饋線，是全廠生產監控、調度中心，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。
　　控制站所在構筑物應安裝避雷帶、避雷網，只安裝避雷針效果不好，因為水廠構筑物高度雖低，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。控制站所在構筑物的接地電阻須小于10歐。
　　有天饋線或通訊鐵塔的應安裝避雷針，并置于構筑物避雷網45°角內，避雷針以及通訊鐵塔的接地除用建筑物內鋼筋結構接地以外，還應單獨鋪設引下線引至構筑物接地網。如只采用構筑物鋼筋結構接地，因為在構筑物修建時其鋼筋焊接質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筑物內出現強磁場。構筑物外墻上的所有金屬門窗應接入構筑物的接地網。
　　前面已述，雷電的危害途徑主要通過感應而進入自控系統，所以避雷針、帶、網的引下線應盡量多設幾條，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能量。室內計算機、自控設備要盡量置于遠離避雷網導地金屬體。
　　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。一般廠內的接地主要有構筑物接地、配電系統及強電設備接地、計算機自控系統接地。如這三種接地配置不合理，極易在雷擊時通過接地網對自控系統造成反擊.

計算機自控系統是一個特殊用電系統，它包括以下幾種接地：系統工作地(小于4歐)，直流工作地(信號屏蔽地、邏輯地等小2歐)，安全保護地(小于4歐)。在安裝時難以分開(特別是對PLC系統)，對這一系統采用聯合接地較好。接地電阻取最小值，至少小于2歐。
　　
目前水廠的三大接地網一般是分開設置的。雖然也有采用部分聯合接地的，但我們認為，在水廠還是分開設置較好，原因有以下幾點：
　　l、水廠構筑物大多數在修建時未考慮計算機等弱電設備，且其接閃地和設備地本身已分開設置。
　　2、一個水廠內，為普通用電設備供電的高、低壓配電系統中，都采用一個接地系統，由于用電的復雜性，在運行和雷擊時常常使零線(地線)電流不為零(Id)。如采用聯合接地時(Rd)，必然使計算機接地電位抬高到Id Rd，從而可能造成反擊。
　　3、新增計算機、PLC系統時，若要與構筑物接地、配電系統及強電設備接地聯合接地，其接地電阻小于0．5歐較安全，這樣一方面造價太高，在某些地質條件下很能難做到，另一方面對舊地網(特別是老水廠)處理時比較困難。
　　地網分開設置時應注意避免地網之間的閃絡。雷擊時，會在地網及附近導體中產生很高電位，地網分開，則可能造成接閃接地體向其它接地體閃絡。所以，地網之間的距離SK當涉及自控系統接地時應大于10M。在接地線引入室內時，若與其它地網距離太近，可局部采取既絕緣又屏蔽的措施。
　　5、避雷器的選型及安裝布線
　　要發揮良好避雷功能，防雷器應不會對保護的設備或線路造成任何干擾和中斷現象；具有低"通過"電壓(將瞬間過電壓降到設備能承受的范圍)；能承受高電流(二次感應電流一般不會超過10000A)；反復使用壽命長且具有狀態顯示。電源避雷須提供相對地、中對地及相對中的全面保護作用如《圖5》。
　　

　　我們知道導線的電壓降主要取決于其電感值，而電感值受到長度和連接方法影響，我們采用以下方法來減少并聯防雷器的感性電壓：①盡量減少連接線長度(<25CM)，減少線路回圈，并將每組連接線綁扎以使其磁場相互抵消。②當連接線過長(>25CM)時，多加一組連接線并分組綁扎，使電感電流平分到兩組上從而減低磁場強度。串聯防雷器保證輸出線與輸入線、接地線盡量遠離，以免再次偶合感應。

　　結束語：
　　總之，由于計算機、PLC系統大量采用大規模CMOS集成電路和分散控制用的CPU單元，使其對瞬間過電壓承受能力大幅度減弱，同時控制系統各種線路伸入到工廠的各種環境之中，采用任何一種單一的防雷器件都有難以保證其安全，必須采取綜合防護的措施，對癥下藥將各類可能引起雷害的因素排除，才能將雷害減少至最低限。