水廠自動(dòng)化系統(tǒng)防雷方案
一、系統(tǒng)介紹
隨著計(jì)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(dòng)化控制普遍采用由工業(yè)計(jì)算機(jī)IPC或可編程控器PLC組成的集數(shù)據(jù)采集、過(guò)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)瞬間過(guò)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(duì)自動(dòng)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(guò)電壓產(chǎn)生途徑和危害是正確采取防護(hù)措施的前提。
二、瞬間過(guò)電壓的產(chǎn)生
瞬間過(guò)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(guò)壓(一般電源過(guò)壓可能維持?jǐn)?shù)秒及以上)，瞬間過(guò)電壓有兩種產(chǎn)生途徑：雷擊和電氣開關(guān)動(dòng)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(huì)通過(guò)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)間隙和電力電涌保護(hù)器，只可把線對(duì)地的電壓限制到小于6000伏(IEEE C62.41)，而線對(duì)線無(wú)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(hào)線上，最終損害設(shè)備。
2、當(dāng)電流在導(dǎo)體上流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)存儲(chǔ)能量并與電流大小和導(dǎo)線長(zhǎng)度成正比，當(dāng)電器設(shè)備(大負(fù)荷)開關(guān)時(shí)會(huì)便產(chǎn)生瞬間過(guò)電壓而損害設(shè)備。
三、瞬間過(guò)電壓對(duì)電子設(shè)備的危害
瞬間過(guò)電壓使電子設(shè)備訊號(hào)或數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)都受到干擾甚至丟失，至使電子設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作或暫時(shí)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(huì)給生產(chǎn)和工作帶來(lái)較大損失。
通常水廠自動(dòng)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(duì)象是雷電波侵入(感應(yīng))。按國(guó)外資料統(tǒng)計(jì)雷電波侵入(感應(yīng))占計(jì)算機(jī)類設(shè)備雷擊事故原因的85%，按成都市自來(lái)水總公司資料統(tǒng)計(jì)占水廠自動(dòng)化系統(tǒng)雷擊事故原因的100％。雷電波侵入(感應(yīng)偶合)對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的破壞，主要是通過(guò)侵入電源線、天饋線、通訊線和信號(hào)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(hào)采集線和接地網(wǎng)引入有害的信號(hào)電流和接地電流，損壞自動(dòng)化系統(tǒng)或影響其運(yùn)行。
根據(jù)瞬間過(guò)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(cè)為一體且分散面廣的特點(diǎn)，我們認(rèn)為對(duì)自控系統(tǒng)要盡可能降低雷電帶來(lái)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。
四、設(shè)計(jì)依據(jù)
1. GB 50057－2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》
2. GB50343-2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》
3. GB50174-2008 《電子信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》
4. GB16895.22-2004 《建筑物電氣裝置 第5-53部分：電氣設(shè)備的選擇和安裝，第534節(jié)：過(guò)電壓保護(hù)電器》
5. GB 18802.1-2002《低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器 第1部分：—性能要求和試驗(yàn)方法》
6. GB/T 18802.21-2004《低壓電涌保護(hù)器第21部分：電信和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的電涌保護(hù)器（SPD）－性能要求和試驗(yàn)方法》
五、水廠自動(dòng)化系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案
整個(gè)水廠的自動(dòng)化系統(tǒng)，主要由上位機(jī)、PLC和各類監(jiān)控、分析儀表組成：
由于中控室和PLC站在整個(gè)系統(tǒng)中十分重要，所以我在選擇電涌保護(hù)器時(shí)，在資金允許的前提下，要求盡可能使用高能量的電涌保護(hù)器，分別對(duì)系統(tǒng)的電源、現(xiàn)場(chǎng)總線和4～20mA模擬量進(jìn)行保護(hù)。
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(shí)，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(hào)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)線都已安裝有閥型電涌保護(hù)器、氧化鋅電涌保護(hù)器等避雷裝置，但自控設(shè)備的電源機(jī)盤仍會(huì)遭受雷擊而損壞。這是因?yàn)檫@些措施的保護(hù)對(duì)象是電氣設(shè)備，而自控設(shè)備耐過(guò)壓能力低，同時(shí)，這些電涌保護(hù)器啟動(dòng)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，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(dòng)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(shí)大型設(shè)備啟停產(chǎn)生的操作過(guò)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(jí)保護(hù)很難滿足要求自控設(shè)備對(duì)電源的要求，所以對(duì)電源防雷應(yīng)采取多級(jí)保護(hù)措施。具體級(jí)數(shù)根據(jù)各自實(shí)際情況而定(原有的高壓電涌保護(hù)器保留)。
第一級(jí)在變壓器二次側(cè)，主要泄放外線等產(chǎn)生的過(guò)電壓，其雷通量大，啟動(dòng)電壓高(920-1800V)。B級(jí) 電源一級(jí)防雷粗保護(hù)：機(jī)房所在建筑的總配電室處作電源一級(jí)保護(hù)。配電柜的機(jī)房電源斷路器輸入端處并聯(lián)接入一套型號(hào)為TPS B50-pro 4P電涌保護(hù)器吸收高能雷電流；把雷電流減小到無(wú)害值；以實(shí)現(xiàn)電源一級(jí)防雷粗保護(hù)。一套TPS B50-pro 4P電涌保護(hù)器由四個(gè)TPS B50-pro模塊組成（其泄放閃電脈沖電流在10／350下可達(dá)50KA），四個(gè)模塊分別并接在總電源交流配電屏輸入端的三根相線及零線與地線之間，電涌保護(hù)器前端串接小型斷路器。
第二級(jí)在各控制站PLC專用隔離變壓器前，主要泄放第一級(jí)殘壓、配電線路上感應(yīng)出的過(guò)電壓和其它用電設(shè)備的操作過(guò)電壓、其電流通量居中，啟動(dòng)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(duì)雷電波同樣有效。C級(jí) 電源二級(jí)防雷防過(guò)壓細(xì)保護(hù)：機(jī)房設(shè)備用電均由UPS供給，因此在機(jī)房UPS的電源分配箱輸入總開關(guān)處并聯(lián)接入一套型號(hào)為TPS C40 3P+N電涌保護(hù)器吸收低能雷電流和浪涌過(guò)電壓，以保護(hù)設(shè)備的安全。一套TPS C40 3P+N電涌保護(hù)器由三個(gè)相線模塊與一個(gè)NPE模塊組成（其最大放電電流在8／20下可達(dá)40KA）四個(gè)模塊分別并接在電源分配電箱電源輸入端的相線及零線與地線之間，電涌保護(hù)器前端串接小型斷路器。
如果B級(jí)和C級(jí)之間的距離較近（小于10米），可選擇型號(hào)為TPS B+C復(fù)合型電源電涌保護(hù)器，一套B+C電涌保護(hù)器由TPS B50- CTRL四個(gè)模塊和一套TPS C40/4電涌保護(hù)器組合而成。模塊并接在總電源配電箱電源輸入端的相線及零線與地線之間，電涌保護(hù)器前端串接小型斷路器。
末級(jí)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(shí)間快。D級(jí) 機(jī)房電源三級(jí)防雷防過(guò)壓精細(xì)保護(hù)：在機(jī)房重要設(shè)備，如服務(wù)器，交換機(jī)，防火墻等前端加裝同為防雷插座TPS D10 JF7，吸收低能雷電流和浪涌過(guò)電壓，作為防雷三級(jí)保護(hù)。
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(jí)電涌保護(hù)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(jí)啟動(dòng)電壓可據(jù)系統(tǒng)而定，但末級(jí)應(yīng)盡量達(dá)到箝位輸出。自來(lái)水司水廠采用電子電涌保護(hù)器后其自控系統(tǒng)一般不會(huì)在再遭受過(guò)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(shí)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(jì)算機(jī)通訊口這一薄弱環(huán)節(jié)(正常電壓一負(fù)5V、12V、24V、48V等)，故損害也很大。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)，在選用電涌保護(hù)器件時(shí)一般都不采用氧化物電涌保護(hù)器，因?yàn)樗姆植茧娙荽?、?duì)高頻損耗大，除非對(duì)之進(jìn)行特殊處理。通常電涌保護(hù)器原理，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。選用此類電涌保護(hù)器時(shí)應(yīng)以通訊電平和頻率或速率來(lái)確定，對(duì)于比較高頻的訊號(hào)便需要特殊設(shè)計(jì)的電涌保護(hù)器以確保其阻抗與該系統(tǒng)對(duì)應(yīng)，否則會(huì)有信號(hào)反射的現(xiàn)象。電涌保護(hù)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)。
單路通訊線電涌保護(hù)器采用型號(hào)TTS-VF系列電涌保護(hù)器或者TTS-DB系列串口通訊系統(tǒng)電涌保護(hù)器?？刂菩盘?hào)儀表信號(hào)采用TMS-P或者TMS-M系列測(cè)控線路電涌保護(hù)器。光纖不需要安裝電涌保護(hù)器，只需要在光纜的金屬加強(qiáng)筋做好接地即可。
水廠與上級(jí)部門及水廠之間的無(wú)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(duì)天饋的防雷主要是選用同軸電纜電涌保護(hù)器。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(hào)頻段相距很遠(yuǎn)。把這兩種信號(hào)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(shí)，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(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的同軸電纜電涌保護(hù)器就是利用這一原理。這里可采用同為TCS-G系列同軸天饋系統(tǒng)電涌保護(hù)器。
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(jì)算機(jī)設(shè)備、通訊設(shè)備、儀器儀表，大多數(shù)還有電臺(tái)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(shì)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(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而易在構(gòu)筑物內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)。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(guò)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(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。
4、合理接地
防雷的最終措施是"泄放"，因而對(duì)"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(jì)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(shí)通過(guò)接地網(wǎng)對(duì)自控系統(tǒng)造成反擊。
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)工作地(小于4歐)，直流工作地(信號(hào)屏蔽地、邏輯地等小2歐)，安全保護(hù)地(小于4歐)。在安裝時(shí)難以分開(特別是對(duì)PLC系統(tǒng))，對(duì)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)：
1) 水廠構(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。
2) 一個(gè)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(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。
3) 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，其接地電阻小于0．5歐較安全，這樣一方面造價(jià)太高，在某些地質(zhì)條件下很能難做到，另一方面對(duì)舊地網(wǎng)(特別是老水廠)處理時(shí)比較困難。
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，地網(wǎng)之間的距離當(dāng)涉及自控系統(tǒng)接地時(shí)應(yīng)大于20M。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。
5、電涌保護(hù)器的選型及安裝布線
要發(fā)揮良好避雷功能，電涌保護(hù)器應(yīng)不會(huì)對(duì)保護(hù)的設(shè)備或線路造成任何干擾和中斷現(xiàn)象；具有低"通過(guò)"電壓(將瞬間過(guò)電壓降到設(shè)備能承受的范圍)；能承受高電流(二次感應(yīng)電流一般不會(huì)超過(guò)10000A)；反復(fù)使用壽命長(zhǎng)且具有狀態(tài)顯示。電源避雷須提供相對(duì)地、中對(duì)地及相對(duì)中的全面保護(hù)作用。
我們知道導(dǎo)線的電壓降主要取決于其電感值，而電感值受到長(zhǎng)度和連接方法影響，我們采用以下方法來(lái)減少并聯(lián)電涌保護(hù)器的感性電壓：
1) 量減少連接線長(zhǎng)度(小于25CM)，減少線路回圈，并將每組連接線綁扎以使其磁場(chǎng)相互抵消。
2) 當(dāng)連接線過(guò)長(zhǎng)(大于25CM)時(shí)，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(chǎng)強(qiáng)度。串聯(lián)電涌保護(hù)器保證輸出線與輸入線、接地線盡量遠(yuǎn)離，以免再次偶合感應(yīng)。
總結(jié)：總之，由于計(jì)算機(jī)、PLC系統(tǒng)大量采用大規(guī)模CMOS集成電路和分散控制用的CPU單元，使其對(duì)瞬間過(guò)電壓承受能力大幅度減弱，同時(shí)控制系統(tǒng)各種線路伸入到工廠的各種環(huán)境之中，采用任何一種單一的電涌保護(hù)器件都有難以保證其安全，必須采取綜合防護(hù)的措施，對(duì)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。
