防雷技術在水廠自動化控制系統中的應用

楊時

摘 要:結合水廠防雷工程的實施,探討了針對水廠自動化控制系統的防雷技術,包括避雷裝置,接地設計,自控設備及線路的雷電防護。

關鍵詞:防雷技術水廠自動控制

中圖分類號:TP393.11 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0002-02

隨著供水量的增加和自動化水平的不斷提高,供水系統中已使用了相當數量的計算機、RTU和其他微電子設備。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。通過中控室的上位機監控現場設備的工作狀況及調整運行參數,需要將上位機和現場的各個執行單元連接起來構成一個密集而龐大的監控網絡,進而自動完成全部生產運行。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。這就需要一種合理的工程保護方式,既要防護直擊雷,又要防護雷電電磁脈沖,即綜合防雷工程。

1現代防雷技術

現代防雷技術要求實施系統防雷工程。IEC/TC-81(國際電工委員會第81防雷小組)的技術定義將現代防雷工作總結為:DBSE技術,即分流(Dividing)、均壓(Bonding)、屏蔽(Shielding)、接地(Earthing),如果將這四項技術加之綜合,成為有效的防護設備,以實現立體化、全方位的防雷目的。

2雷擊瞬間過電壓危害

電子設備數據或訊號的存儲與傳輸都有可能受到瞬間過電壓的干擾而引起丟失,導致電子設備暫時癱瘓或誤動作;如果反復的對其產生影響則會降低電子設備的使用壽命,嚴重時可能造成元器件及設備燒毀,這些都將對工作和生產生活造成影響。一般來說都將水廠自動化系統的控制站設于構筑物內,在電纜溝中鋪設電源線、網絡線,所以受到直接雷是不太可能的,對其防護的重點主要是感應雷。有關統計數據顯示,在計算機類設備雷擊事故的原因中感應雷侵入占到85%,雷電波侵入主要通過信號線、天線饋線、電源線和通訊線侵入,并分別導致I/O模板、通訊模板、電源模板的損壞。

依照瞬間過電壓的危害、產生途徑和大量應用高集成CMOS電路的自控系統以及CPU單元及集監測、通訊、控制為一體且分散的特點,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。特別應從對外部直擊雷的侵襲以及從電源、信號線入侵的感應雷電流及過電壓進行瀉放和攔截為手段,并以接地系統、線路浪涌攔截,線路屏蔽、等電位聯結等措施來提高水廠自動化控制系統的雷電防護能力,從而形成一個多層次完整的防護系統。

3防雷技術在水廠自控系統中的應用

3.1 接地

要實現防雷目的最根本的措施是“泄放”,因而對“接地”且不可掉以輕心。在廠內的接地一般要有計算機自控系統接地、強電設備及配電系統接地、構筑物接地。如不能合理配置這三種接地,極有可能在遭受雷擊時,自控系統會被來自接地網的反擊。

對于計算機自控系統這樣一個特殊的用電系統,可以采取下面的幾種接地方式:安全保護地(<4Ω),直流工作地(邏輯地、信號屏蔽地等<2Ω),系統工作地(<4Ω)。在對設備進行安裝時,是難以將他們分開的(由其是對PLC系統),采用聯合接地方式,可能是最好的。接地電阻至少要<2Ω。目前一般都將水廠的三大接地網分別鋪設。雖然部分聯合接地方式也有采用,但在分開設置在水廠中還是比較好的選擇,主要因為以下幾點。

(1)在修建時水廠里的建筑物大部分都未對計算機等弱電設備加以考慮,且本身其設備地和接閃地已分別鋪設。

(2)在水廠內,在給普通用電設備供電的高、低壓配電系統中,一般都采用一個接地系統,在雷擊和運行時,由于用電的復雜性,通常零線電流不為零(Id)。如采用聯合接地時(Rd),計算機接地電位必然被抬高到Id Rd,因此有可能導致反擊的產生。

(3)應注意避免在地網分開鋪設時,地網之間產生的閃絡。當遭受雷擊時,地網及附近導體中會感應出很高的電位,如果將地網分開,則可能導致接地體向其它的接地體閃絡。所以,當涉及自控系統接地時,地網之間的距離SK應大于10m。

3.2 等電位聯結

為使自控系統機房內防雷區交接界面處做好等電位聯結,應將建筑物自控系統機房內各種金屬部件用接地線聯結,以改善機房內的電磁環境。等電位聯結是用連接導線,把自控系統機房內的各種設備以及導電體、金屬線槽等與建筑物的綜合接地系統相連接,把不同暫態過電壓區域之間所形成的暫態電位差消除掉,使之構成電氣上的等電位聯結整體。

另外,在界面處,將所有穿過防雷區界面的導電物、屏蔽層、信號SPD或者通信線的屏蔽層做局部等電位聯結。出入機房的電力線,通信線等在不同位置時,應該就近連到綜合等電位聯結帶上。

自控系統機房的各種箱體、支撐架等金屬組件與建筑物總接地系統的等電位聯結方法有兩種,分別是:M型網絡,為多點接地,其特點是接地阻抗低,但易引來侵入電流。S型網絡,為一點接地,其抵抗電磁的干擾能力比較強。選用S型(星型)網絡、M型(網型)網絡。具體應根據機房信息系統設備信號頻率和電磁干擾頻率及系統的規模大小來選用S型網絡還是M型網絡等電位聯結方式。

3.3 屏蔽措施

屏蔽是減少自控系統內電磁干擾的感應效應的基本措施之一,主要方法是利用建筑物的各種金屬屏蔽體來阻擋或者衰減電磁干擾以及過電壓能量,包括建筑物自然屏蔽、建筑物內外線路屏蔽、弱電機房人工屏蔽。

建筑物的自然屏蔽由建筑物金屬支撐物、金屬框架或鋼筋混凝土樓板和柱子的鋼筋等自然構件互相聯結,構成一個“法拉第籠”式的外部屏蔽層。其屏蔽效果可通過磁場強度的衰減情況來表達。

自控系統機房的人工屏蔽是將機房天花板龍骨、防靜電地板以及敷設的金屬屏蔽線槽等金屬構件互相連接,并可靠接地,使其構成屏蔽空間;從而使LEMP被有效地減弱。另外,所有出入自控機房的線路穿金屬套管或線槽,也可采用有金屬屏蔽的電纜。并在防雷區交界處將金屬管槽、電纜屏蔽層兩端做等電位聯結。

3.4 自動控制設備SPD的要求與設置

3.4.1 電源系統浪涌保護器SPD

當在輸電線附近發生雷閃放電或雷擊輸電線時,都將有較大的雷電沖擊波在輸電線路上形成,其主要能量為工頻至幾百赫的低頻能量,它們極易與工頻回路相耦合。雷電沖擊波將有可能從配電線路感應到自控網絡線而耦合到自控設備,而影響其通訊模塊的正常工作以及從配電線路耦合到設備的電源模塊。

水廠的配電系統都安裝有氧化鋅、閥型避雷器等避雷裝置在高、低壓進線上,但雷擊后仍然可能導致自控設備電源的損壞。造成這一現象的原因是因為自動控制設備的耐過壓能力較低,而避雷器有較大的分散電容并且啟動電壓高,導致分散電容與設備負載間構成了一個分流的關系,從而將較高的殘壓加在了自控設備上,至少要比避雷裝置的啟動電壓高,一般為2～2.5倍的峰值,極易對自控設備造成損壞。危害自控系統的另一重要原因是大型設備的同時啟停引起的操作過電壓。

綜上所述,用單級保護或單一的器件滿足自控設備對電源的要求是很難實現的,所以應采取多級保護措施對電源進行防雷。根據各自實際情況確定具體級數,見(圖1)。在變壓器的低壓端安裝第一級電源SPD,主要對外線等產生的過電壓進行泄放,它的通雷量較大(10/350us),且具有較高的啟動電壓(920V～1800V)。在各PLC控制站的專用隔離變壓器前放置第二級,主要是將配電線路上的感應過電壓、第一級殘壓和操作其它用電設備時產生的過電壓進行泄放、其通流量居中(8/20us),啟動電壓也居中(470V～1800V)。隔離變壓器可以有效的抑制各種電磁干擾,所以安裝它是非常重要的,隔離變壓器對雷電波同樣可以產生有效。在PLC專用電源模板前安放末級避雷裝置,主要用于對前面的殘壓進行泄放,完全可以實現箝位輸出的作用,其具有殘壓低(1.25kV以下),響應速度快等優點。應該盡量靠近被保護設備安放各級避雷器,以避免雷電侵入波的全反射發生。可據系統對各級啟動電壓進行確定,但應盡量使末級實現箝位輸出。國內外的電源SPD均能有較好的性能表現。有些設計比較完善的設備還具有避雷器漏電流檢測電路、雷擊計數器、放電管,其檢測、使用將更加的方便。將電源SPD應用與自來水廠配電系統后,一般情況下其自控設備都不再會遭受過電壓而損壞。

3.4.2 信號線路浪涌保護器SPD

水廠自控系統的通訊線都應采用特制的加屏蔽層的雙絞線(如DH+、MB+),并且一般鋪設方式都采用穿管直埋(或電纜溝)的方式,所以在此處由雷電引起的感應電壓都不高(1kV～2kV)。但因為其可以直接進入計算機通訊端口或PLC,這一相對較薄弱的環節,會造成較大的損害。

計算機通訊頻率或數據交換,跟據系統的不同,一般是從直流到幾十兆赫茲,在計算機通訊端口或PLC安裝相對應的網絡信號SPD。SPD接地線與接地匯流排連接,接地線長度應小于0.5m。

網絡信號SPD由氣體放電管+氧化鋅壓敏電阻+箝位二極管組合成復合避雷器,一般箝位二極管都具有較低的殘壓,如果假設額定電壓24V,那么它的殘壓一般介于24V～30V間。如圖2所示

4結語

總之,計算機和PLC系統對瞬間過電壓的承受能力都很脆弱,同時在水廠控制系統中的各種線路錯綜復雜,如果只使用單一的防雷措施是很難保證水廠自控設備的安全運行,必須采取綜合防護措施。對癥下藥,全面考慮,排除各類可能引起雷害的因素,才能把將雷電災害降低到最低。

參考文獻

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