生活垃圾中轉站自控系統防雷技術改造

鄒 巍

（佛山市南海綠電再生能源有限公司，廣東佛山 528225）

0 引言

隨著科技的進步，生活垃圾轉運焚燒發電逐漸成為現在生活垃圾處理的有效資源利用模式，生活垃圾中轉作為其中的一項中間環節，扮演著不可小覷的角色。通常生活垃圾中轉站建設的位置偏離城市的中心，一般位于郊區，相較周圍的建筑，處于較高的位置點，但當夏季雷雨季節來臨時，生活垃圾中轉站電氣控制設備可能會受到直擊雷或感應雷的干擾，導致生活垃圾壓裝自控設備受到損壞，導致設備無法正常使用甚至停產，給生活垃圾轉運帶來了較大壓力。

1 改造背景

電子汽車衡自動稱重管理系統和生活垃圾壓縮系統是生活垃圾中轉站的主要運行系統。為保證市政收集來的生活垃圾正常被轉運，這兩大系統不間斷、穩定運行尤為重要。

（1）電子汽車衡自動稱重管理系統包括電子汽車衡本體（含秤臺本體、稱重傳感器、稱重儀表等）和電子汽車衡輔助設備（稱重管理工控電腦主機、語音提示設備、防作弊系統、讀卡器、道閘機設備等）。受雷雨天氣的影響，地磅附屬設備立柱及秤臺通常是雷電引入的主要通道，可能會導致雷電干擾信號經控制線路或信號線路進入地磅房內將自動稱重管理系統的核心設備工控電腦燒毀，致使地磅自動稱重管理系統癱瘓，給生產運營帶來極大不便。

（2）生活垃圾壓縮系統主要完成對市政收集的散裝垃圾進行壓縮并裝載至專用的集裝箱內，便于勾臂車轉運。整個過程只需操作人員根據料槽視頻監控畫面，在中控上位機界面操控壓縮機設備即可完成。生活垃圾壓縮自控系統主要由壓縮機電控系統、抽風除塵系統、中控系統構成，各個系統間通過通信電纜連接以實現中控集中控制。根據中轉站雷電干擾損壞設備名錄，可能造成中控系統工控電腦主機燒毀，壓機控制系統PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）設備損壞，抽風除塵系統PLC設備損壞等，導致生活垃圾壓縮系統無法正常運作，給經營者和管理者帶來極大困擾。

生活垃圾中轉站還有一些附屬設備，用來維持站點安全、環保和駐站人員的正常生活，如全站點的視頻監控、環站電子圍欄、環境照明等。它們雖然對站點的運營生產影響不大，但是可能會影響站點的安全、管理。以前曾有過雷電干擾將站點的路燈大部分擊毀，視頻監控受到重創，給站點帶來很大經濟損失。

2 問題分析

佛山市南海綠電再生能源有限公司的大部分中轉站點位于雷暴高發區，屬亞熱帶氣候區，夏季易發生雷雨、臺風。該地區年平均雷暴日數在80 d以上，建筑物及設備被雷擊危險極高。整個建筑物內的用電系統、信息系統傳輸線容易遭受感應雷，受損形式有3種：一是雷電直接擊在線路或設備上，打壞設備或燒斷線纜；另外一種是在落雷點周圍1.5 km范圍內的各種傳輸線上產生過電壓，然后傳輸到設備，使之損壞；還有一種現象就是雷擊在設備附近，強大的雷電電磁脈沖經空間感應到設備，使之失靈或永久性損壞。前1種情況發生的概率較小，而后2種發生的概率大、范圍廣，是雷擊事故中造成設備損壞的主要原因。

采用避雷針、避雷帶和避雷網等可防止和減少雷電對建筑物、人身和設備造成的直接危害。但是大量事實證明：在安裝了避雷裝置的室內，計算機設備、通信網絡及微電子器件在雷擊時，仍然會遭受不同程度的損害。為此，科學家通過進一步的分析，找到其原因所在。

直接擊中建筑物的雷電稱之為“直擊雷”。避雷針等裝置可將“直擊雷”產生的高電壓、強電流迅速引入大地，消除雷擊的影響，保護設施。然而，雷擊放電時在空中會產生強大的電磁場，使周圍的金屬導體因“電磁感應”而帶上很高的電壓。另外，雷擊入地點在瞬間會產生“地電位反擊”，電位迅速抬高，影響其他接地設備的安全。這些由雷電引起的感應現象稱為“感應雷”，同樣具有強烈的破壞作用。

在避雷針的保護范圍內，物體雖然可以免遭直接雷擊，但是“感應雷”可在電力、通信、網絡、衛星天線及有線電視等線纜上產生高壓感應和電流“浪涌”，并通過導線引入配電間、機房、辦公室和住宅等，使電源、通信及電子設備不可避免地受到損害。因此，防止這些現代社會的雷害顯得十分緊迫和必要。

對于一個用電系統，根據國際電工組織（International Electrotechnical Commission，IEC）的統計資料，80%的雷電損害是通過電源線傳輸過來，使設備損壞。由于市電通過高壓輸送線路向用戶線路提供電力能源，在供電系統的線路和用戶的線路間形成一個龐大的電力互聯輸送網。這些線路大部分暴露在室外，并且距離地面較高甚至處在較空曠的田野，使得其成為了雷暴（直擊雷或感應雷）侵害的對象。被雷暴侵害過的線路，會產生過電壓、過電流并通過線路侵入房間，對用電設備尤其是電子設備（計算機設備、電視、音響設備）造成損壞，還有可能對正在使用的用戶人身造成傷害。

根據雷電的電流大、電壓高、發生時間快的特點，為達到對設備的有效保護，必須既保證將雷電的大電流泄放入地又保證用電設備的工作電壓維持在正常水平，其中一個主要技術方法就是在室內電源線路上串接電源保護裝置并在信號線路上安裝對應的信號浪涌保護器。

3 解決方案

根據IEC的防護原則，由于雷電的能量極大，電源浪涌保護器是需要既將全部雷電泄放入地，又將雷電形成的高電壓箝位至精密電子設備能承受的耐壓值。

3.1 電源防雷器的保護基理

3.1.1 泄放雷電電流

根據IEC分區防護理論，由于雷電電流大、電壓高、發生時間快的特點。根據相應規范的要求，自然界中絕大多數雷電電流峰值不大于 65 kA（8/20 s），15 kA（10/350 s），所以規范提出第一級電源防雷器通流量須不小于以下要求：65 kA（8/20 s），15 kA（10/350 s），第二級電源防雷器通常要求通流量為40 kA（8/20 s），第三級電源防雷器通常要求通流量為20 kA（8/20 s）。

根據本次設備特殊安裝位置及耐壓值，在本系統總配電柜安裝第一級防雷器，對各分用電單元安裝第二級電源防雷器，對部分重要設備還安裝第三級防雷器。

3.1.2 降低雷電高電壓

依據IEC防雷分區原理，不同區域內的用電設備的抗擊雷電的能力是有所不同，電房的配電設備的抗雷擊耐壓值是6 kV，普通用電設備（冰箱、空調等）的抗雷擊耐壓值為2 kV，電子設備（計算機、電視、音響等）的抗雷擊耐壓值是1.5 kV。

第一級防雷器安裝于總配電箱，將大部分雷電在此泄放，將雷電引起的高電壓箝位至6 kV以內，對于要求嚴格的區域，第一級防雷器就需要將雷電箝位至2 kV；第二級防雷器安裝在各功能室的配電箱，將雷電引起的高電壓箝位至1.5 kV以內或更低。

3.2 信號防雷器的保護基理

信號系統與電源系統一樣容易遭受感應雷。雷擊發生時：一種情況是雷直接擊在線路或設備上，打壞設備或燒斷線纜；另外一種情況是在落雷點周圍1.5 km范圍內的各種傳輸線上產生過電壓，然后傳輸到設備，使之損壞；還有一種現象，就是雷擊在設備附近，強大的雷電電磁脈沖經空間感應到設備，使之失靈或永久性損壞。3種情況中，第一種情況發生的概率較小，而后2種情況發生的概率大、范圍廣，是雷擊事故中造成設備損壞的主要原因。

對于信號線路，防雷的解決方法是對進出不同防雷區的信號線路安裝信號防雷器，信號防雷器要充分考慮被保護設備的工作頻率、平均輸出功率、連接器形式及特性阻抗等參數，保證防雷器安裝后，不會影響用戶設備的正常使用。

4 設計方案

根據國家標準GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》的建筑物分類條例，以及中轉站所處地理環境的特殊性進行設計，防雷器基本參數要求如表1所示。SPD是浪涌保護器（Surge Protection Device）的簡稱。

表1 防雷器基本參數要求

5 結束語

圖1 一級防雷器防護原理

圖2 部分人工地網安裝

圖3 電子汽車衡自動稱重系統部分防雷

圖4 中控系統部分防雷

改造已經在南海綠電再生能源有限公司現有的7個生活垃圾中轉站實施（圖1～圖4）。改造后，2018 年的雷雨天氣，基本未造成設備故障損失，降低了設備故障率，有效保證了站點的正常營運。防雷器的選取至關重要，需要根據所保護的設備運行方式，保護級別來確定。良好的接地系統加上優良的防雷產品，可以為重要設備設施的穩定運行保駕護航。