排水泵站自控系統防雷措施淺談
發布時間：2016-05-16 08:38
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市屬排水泵站大多位于城區邊緣，且毗鄰江河堤岸的開闊地帶，地勢低洼，春夏兩季極易遭受雷電襲擊。隨著計算機技術、控制技術、通訊技術的發展和廣泛應用，泵站的自動化控制也逐步采用由工業控制機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，其對瞬態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備。可見對自動化系統采取有效的保護措施非常必要。
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、構架、樹木等物體上，由于熱電效應等混合力作用直接對物體造成傷害；二是雷云下的靜電感應：一般針對線路而言，在一定強度的雷云下在高壓架空線路上可以感應出300—400kV的過電壓、在低壓架空線路上可以感應出100kV的過電壓、在電信線路上也可感應出40—60kV的過電壓；三是雷電的電磁感應：雷電流經引下線入地時，在引下線周圍產生磁場、引下線周圍的各種金屬管線上經感應產生瞬間過電壓； 四是地電位反擊：直擊雷經接閃器如避雷針、避雷網等而直放入地，導致地網地電位上升，高電壓經設備接地線引入電子設備造成反擊；五是雷電波侵入： 電源線和通信線遭受直擊雷或感應雷加載了過電壓及雷電流以感應的方式耦合到線路上，進而入侵設備。
二、瞬態過電壓對自控設備的危害
通常，在泵站的設計建設中對于直擊雷的防護已經有比較完善的措施。自動化系統大部分置于泵房構筑物之中，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。根據雷電電磁脈沖(LEMP)理論和實踐經驗證明：
電子計算機及其它自動化系統設備損壞的主要原因是雷電感應浪涌電壓造成的。雷電感應浪涌電壓是一種產生在微秒至毫秒之間的尖峰沖擊電壓，即瞬態過電壓。它可以通過電源線、天饋線、通訊線和信號線把感應浪涌電壓波引入設備內部，分別損壞電源模板、通訊模板、I/0模板，致使設備產生誤動作、暫時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，瞬態過電壓致使PLC接口、UPS的保險、工控機的端口和電源以及電話線路均遭損壞。
三、排水泵站自控系統防雷措施
由此可見，現有的雷電防護體系已不能滿足當前自動化系統的安全要求，應從單純的一維無源防護轉為針對防直擊雷、防靜電感應、防雷電電磁感應、防地電位反擊、防感應雷電波侵入以及操作瞬態過電壓影響等的有源與無源防護相結合的三維防護體系。我們應從泵站自動化系統的整個配電系統、信號系統、天饋系統、微機網絡等幾個方面入手，采用接閃、分流、均壓、屏蔽與接地等手段，進行全方位的防雷防過電壓保護。
(一) 自控配電系統的防雷
當雷擊發生在輸電線路或在輸電線路附近時，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，從而進入自控設備的電源模塊，因此，配電線路的防雷是自控系統防雷的重要部分。采用三級浪涌電壓保護器(也叫瞬態過電壓保護器 SPD)是自控系統目前比較理想的防雷保護措施。
采用這種措施與其他防雷措施一樣，要特別注意將自控設備的電源用線與照明等其他用電線路嚴格分開。三級浪涌電壓保護器的分布為：第一級在變壓器二次側、進線柜斷路器后的三根相線和中性線上，分別對地并聯，主要泄放外線等產生的較強過電壓，其雷通量大，但是這些避雷器啟動電壓高而且有較大的分散電容，與負載之間成為分流的關系，從而使加在下一級設備上的殘壓高，一般為避雷器啟動電壓的2～2.5倍。第二級在PLC或UPS等專用配電母線處的三根相線和中性線上，分別對地并聯，主要泄放第一級殘壓，分流配電線路上傳輸過程中的感應或耦合過電壓和其它用電設備的操作過電壓，有效抑制各種電磁干擾。第三級在PLC、UPS或其它自控設備接線板熔斷器后的相線和中性線上，分 別對地并聯，主要泄放前面的殘壓，進一步保護設備不受過電壓的干擾。
(二) 信號系統與天饋系統防雷
自控系統信號線一般都采用特制屏蔽雙絞線(如DH+、MB+)，一般穿管鋪設，雷電在此處感應電壓在lkV—2 kV范圍內，但其直接進入PLC或計算機通訊口(電壓在5V—48V之間)，可能會造成的較大的損害。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)，在選用避雷器時要選用專用信號SPD。當通信電纜感應雷產生瞬態過電壓時，雷電流通過SPD支路泄放到大地，SPD的輸出限制在設備的允許電壓上。
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，將雷電流和有用的信號分開。當受到雷擊時快速有效的將感應雷電流通過雷電支路泄放到大地。
(三) 屏蔽、等電位處理
泵房控制室內的電力電纜(線)、通信電纜(線)應該盡量采用屏蔽電纜。在控制室還可以沿地面上布紫銅排，形成閉環接地匯流母排，將配電柜(箱)金屬外殼、電源地、SPD接地、機柜外殼、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“接地”一定要重視起來。一般站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。
1、構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。因為如果僅僅采用構筑物鋼筋結構接地，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，容易在構筑物內出現強磁場。并且這些接閃器的引下線還應盡量多設幾條，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。
2、配電系統及強電設備的接地問題已經有相當成熟的措施，而且使用效果也比較理想，尚未出現大的問題，在此就不再敘述。
3、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：系統工作接地(接地電阻不大于4歐姆)，安全保護接地(接地電阻不大于4歐姆)，直流工作接地（信號屏蔽地、邏輯地等不大于2歐姆)。泵站現有狀況下難以分開，可以采用聯合接地，但要保證接地電阻一定要小于2歐姆。
4、三大接地網應分開設置，主要考慮到以下三個原因：一是泵站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。二是一個泵站內，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。黃浦站的雷擊事故經市防雷中心檢驗測試，斷定原因之一便是電位反擊造成的。三是新增計算機、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，其接地電阻要保證小于0.5歐姆，這樣一般難以做到而且造價高昂。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，當涉及自控系統接地時地網之間的距離應大于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。
參考文獻：
1、《建筑物防雷設計規范》GB50057-94
2、《計算機房防雷設計規范》GB-50174-93
3、《計算機控制系統雷擊事故的防范》 陶漢雄 《電世界》2003年02期
4、《信息系統雷擊電磁脈沖防護風險評估等級》 范大勇 《電世界》2003年02期
