工廠自動化控制系統(tǒng)防雷設(shè)計與應(yīng)用

李炳舉

摘要：隨著我國社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的進步，各行業(yè)和各領(lǐng)域的發(fā)展速度都十分迅速，自動化控制系統(tǒng)也在工廠里逐步得到了廣泛應(yīng)用。目前工廠的自動化控制普遍采用由工業(yè)計算機IPC或可編程控器自動化組成的集數(shù)據(jù)采集、過程控制和信息傳送于一體的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。雷電是自然界中一種常見的現(xiàn)象，結(jié)合實際工作情況可以發(fā)現(xiàn)，雷電對自動化控制系統(tǒng)有著很大的威脅，由于自動化控制系統(tǒng)的連通性，往往對整個系統(tǒng)內(nèi)自動化控制模塊、相關(guān)的監(jiān)測儀表以及變頻器控制的機電設(shè)備造成極大的破壞和影響。一旦發(fā)生了這種情況，必然會對工廠的生產(chǎn)造成不利影響。因此，不斷深化對自動化控制系統(tǒng)防雷技術(shù)的研究，使其防雷性能更加強大，防護范圍更加廣泛，這對自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用都有著及其重要的意義和作用。文中首先對雷電的入侵途徑進行說明，分析了自動化控制系統(tǒng)中防雷部件的選擇，并對這些部件的具體應(yīng)用實例進行了闡述。最后結(jié)合實際工作經(jīng)驗，對自動化控制系統(tǒng)在應(yīng)用過程中易受雷電的損害進行了分析，并提出有效的防雷保護措施。

關(guān)鍵詞：工廠自動化控制系統(tǒng);防雷技術(shù);防雷保護

中圖分類號：TP391

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-6487（2019）03-0047-03

0引言

近年來，隨著自動化控制系統(tǒng)在工廠的普及，保障整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行尤為重要，其中雷電危害對自動化控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行影響最大，所以自動化控制系統(tǒng)要有完善的防雷保護。

1自動化控制系統(tǒng)防雷概述

1.1雷電對自動化控制系統(tǒng)造成危害的途徑

（1）直接雷擊：直接雷擊是指雷電直接擊中現(xiàn)場自動化控制系統(tǒng)設(shè)備或與之連接的管路并在設(shè)備上產(chǎn)生強加熱效應(yīng)和電動力作用，損壞自動化控制系統(tǒng)的控制模件及相關(guān)的電子線路。一般情況下因工廠在設(shè)計時防雷保護都比較完善，因此發(fā)生直擊雷損壞設(shè)備的情況比較少見。

（2）感應(yīng)雷擊：雷電流產(chǎn)生的靜電感應(yīng)作用和電磁感應(yīng)作用如果進入現(xiàn)場自動化控制系統(tǒng)和用電設(shè)備，就會造成設(shè)備損壞。

（3）雷電過電壓：其產(chǎn)生的雷電波可能沿著金屬導(dǎo)體、管道，特別是沿天線或架空電線將高電位引入自動化控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)造成干擾和破壞。

（4）反擊雷：防雷裝置在接閃時，強大的瞬間雷電流通過引下線流入接地裝置，由于大地電阻的存在，雷電電荷不能快速向大地泄放，必然會引起局部地電位上升（可能達到上百千伏），如果自動化控制系統(tǒng)的接地體與該點沒有足夠安全距離，它們之間就會產(chǎn)生放電，造成反擊電流，可直接擊穿設(shè)備的絕緣部分，會對自動化控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾乃至損壞設(shè)備。

2自動化控制系統(tǒng)的防雷措施

2.1工廠供電系統(tǒng)的防雷措施

首先做好工廠供電系統(tǒng)的防雷才能為廠區(qū)內(nèi)自動化控制系統(tǒng)的安全打下良好的基礎(chǔ)，這里對工廠供電系統(tǒng)的防雷措施做一簡單介紹。如工廠供電系統(tǒng)、配電室、建筑物等。

工廠供電系統(tǒng)可使用浪涌保護器進行分級保護，必要時可采用雙電源供電回路和自動重合閘裝置。

工廠配電室的防雷：對直擊雷的防護，主要是安裝避雷針或避雷線。對線路侵入沖擊波的防護，可以在高壓電源進線端安裝閥型避雷器。配電室防雷多采用進線段保護。工廠建筑物的防雷多采用對低壓架空線的進線進行處理，如進戶處絕緣子的鐵腳接地。也可裝設(shè)低壓閥式避雷器或放電間隙。采用電纜進線則可以從架空線上轉(zhuǎn)換一段有金屬外皮的電極埋地引入供電系統(tǒng)。

2.2自動化控制系統(tǒng)防雷措施

一個有效的防雷系統(tǒng)，至少包括外部、內(nèi)部和過電壓防護等三個方面，而正確的連接和接地則是各個方面中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。防雷保護的一個重要的方面是接地以及引下線路的布線。防雷系統(tǒng)的接地主要由接地體、連接線組成接地網(wǎng)絡(luò)，其中影響接地效果的幾個因素有電阻率、接地體的選擇、接地材料的防腐和合理的規(guī)劃接地網(wǎng)絡(luò)。

2.3廠建筑物、供電系統(tǒng)及自動化控制系統(tǒng)的防雷接地保護

防雷接地一般分為防雷接地，防止因雷擊而造成損害。靜電接地，防止靜電產(chǎn)生危害。

（1）建筑物防雷一般采用整體結(jié)構(gòu)防雷，如主廠房防雷，主要基礎(chǔ)要做接地極和接地帶，形成一個接地網(wǎng)，接地電阻應(yīng)小于10。再與主廠“房的鋼筋或鋼構(gòu)的主體連接。水泥混凝土屋頂接避雷帶或避雷針，墻外地面必須留有接地測試點，以便進行接地電阻阻值的測量。鋼構(gòu)應(yīng)用鍍鋅扁鋼直接引到屋頂。

（2）供電系統(tǒng)接地一般分為保護接地和工作點接地，保護接地是帶電設(shè)備外殼接地。工作點接地指零線接地，接地網(wǎng)做法與避雷接地方式一樣，接地電阻應(yīng)小于4歐。如低壓電氣系統(tǒng)接地采用TN一S接地系統(tǒng)，零地線必須分別采用獨立的線路。每個建筑物進戶線處要設(shè)置重復(fù)接地。對于不帶電的電氣設(shè)備的金屬外殼，都應(yīng)與專用接地線（PE線）作可靠連接。

（3）自動化控制系統(tǒng)接地系統(tǒng)。該系統(tǒng)接地電阻則需小于1歐，一定要注意不能與防雷接地連接。自動化控制系統(tǒng)防雷接地設(shè)計時需要注意兩方面的防護：一是要注意雷電的反擊，要消除反擊現(xiàn)象，通常采取兩種措施：先作等電位連接，用金屬導(dǎo)體將兩個金屬導(dǎo)體連接起來，使其接閃時電位相等。同時兩者之間必須保持一定的距離。二是要注意感應(yīng)雷的防護，對雷電流進入建筑物的各類金屬管、線上所產(chǎn)生雷電脈沖要起到限制作用，從而保護建筑物內(nèi)人員及各種電氣設(shè)備的安全。應(yīng)根據(jù)各種設(shè)備的具體情況采取措施，除了要有良好的接地和布線系統(tǒng)，并保持安全距離外，還要按供電線路，各類線纜的情況安裝對應(yīng)規(guī)格的避雷器、浪涌保護器以及采取必要的屏蔽措施。

2.4自動化系統(tǒng)防雷主要是供電電源防雷和通訊信號線防雷

供電電源的防雷保護多采用的是閥型避雷器，可以多次反復(fù)防雷，但是強雷電通過后需要檢驗或更換。PLC模塊及通訊信號的防雷包括RS485防護、RS232防護、4-20mA的防護電路等。文中主要針對常用的浪涌保護器做一簡單介紹：

浪涌保護器，也叫防雷器，是一種為各種電子設(shè)備、自動化控制系統(tǒng)、通訊線路提供安全防護的電子裝置。當(dāng)電氣回路或者通信線路中因為外界的干擾突然產(chǎn)生尖峰電流或者電壓時，浪涌保護器能在極短的時間內(nèi)導(dǎo)通分流，從而避免浪涌對回路中其他設(shè)備的損害。如大家所熟知的在2011年7月23日發(fā)生的動車事故，就是因為雷擊造成溫州南站的鐵路通信信號電纜上產(chǎn)生浪涌電壓，并在多次雷擊浪涌電壓和直流電流共同作用下，列控中心設(shè)備采集驅(qū)動單元采集電路電源回路中的保險管F2熔斷，使信號顯示錯誤，是發(fā)生此次事故的主要原因之一。所以目前條件下，合理的選擇和使用浪涌保護器可以對自動化控制系統(tǒng)進行有效防雷保護。

2.4.1浪涌保護器（SPD）工作原理與分類

浪涌保護器是電子設(shè)備雷電防護中不可缺少的一種裝置，英文簡寫為SPD。浪涌保護器按工作原理通常分為三種：開關(guān)型、限壓型、分流型或扼流型。浪涌保護器按保護對象通常分為信號防雷器如網(wǎng)絡(luò)信號防雷器、視頻信號防雷器、音頻信號防雷器、控制信號防雷器和串口信號防雷器等。電源浪涌保護器分為第一級浪涌保護器、第二級浪涌保護器、第三級浪涌保護器。其他還有天饋線防雷器、光伏直流防雷器以及用于監(jiān)控系統(tǒng)防雷的二合一、三合一防雷器等。

2.4.2浪涌保護器對電源的分級防護與選型

為達到更好的防雷保護效果應(yīng)準(zhǔn)確的選用浪涌保護器的型號、規(guī)格，并對工廠供電系統(tǒng)和自動化控制系統(tǒng)的電源及設(shè)備進行分級保護。

（1）第一級浪涌保護器用于直接雷擊電流的泄放。應(yīng)選取沖擊電流應(yīng)取等于或大于12.5kA的產(chǎn)品。

第二級浪涌保護器是針對前一級的殘余電壓以及對區(qū)域內(nèi)可能遭受感應(yīng)雷擊的設(shè)備采取進一步防護。第二級可選用最大通流容量40-100kA，標(biāo)稱通流容量為20-50kA的產(chǎn)品。

第三級浪涌保護器是對雷電的電磁脈沖和通過第二級

壓的值降低到1000V以內(nèi)，使殘余浪涌的能量不致于損壞設(shè)備。通常安裝在自動化控制系統(tǒng)交流電源的進線端?？蛇x以下的產(chǎn)品。

根據(jù)被保護設(shè)備的耐壓等級，一般兩級浪涌保護器就可以很好的保護效果。假如設(shè)備的耐壓水平較低，就可能需要采取三級及以上的保護。需要注意的是裝了浪涌防雷器的自動化控制系統(tǒng)還是會發(fā)生被雷擊損壞，因為浪涌保護器只能抵抗一次雷擊，當(dāng)被雷擊中失效以后需及時更換。否則無法再用于保護設(shè)備。

3自動化控制系統(tǒng)防雷技術(shù)污水處理廠應(yīng)用實例

3.1工程概況

準(zhǔn)旗污水處理廠承擔(dān)著準(zhǔn)格爾旗薛家灣地區(qū)全部生活污水處理任務(wù)，是市政重要的環(huán)保企業(yè)。污水處理廠的位置地勢較高且處于相對偏僻的地區(qū)，容易受到雷電的襲擊，而且污水處理生產(chǎn)過程的自動化程度也較高，如果受到雷電的襲擊，必然會導(dǎo)致自動化控制系統(tǒng)和相關(guān)的在線監(jiān)測儀表的損壞，因此，在污水處理廠建設(shè)和運行過程中，應(yīng)注意對自動化控制系統(tǒng)和設(shè)備的防雷措施的選擇和應(yīng)用，以提高污水處理廠的整體防雷效果。

污水處理廠全廠約有20多個構(gòu)筑物。其中關(guān)鍵設(shè)備有600多臺，其中80%為各類閘閥、泵機，整套工藝經(jīng)由上位機、PLC系統(tǒng)進行中央集中控制。

3.2自動化控制系統(tǒng)防雷設(shè)計范圍及原則

工業(yè)控制計算機的防雷：工業(yè)控制計算機與PLC模塊直接相連，并通過中控室的網(wǎng)絡(luò)柜完成數(shù)據(jù)處理。其防雷措施包括：首先做好防雷接地處理，工業(yè)控制計算機和PLC柜就近接地。另外需要在工業(yè)控制計算機和PLC柜前端配電箱安裝帶浪涌保護器保護的電源裝置，信號進線端安裝RJ45接口的網(wǎng)絡(luò)信號防雷器等。

PLC模塊的防雷：據(jù)測算污水處理廠內(nèi)建筑物的年預(yù)計雷擊次數(shù)一般不高于0.25次/a，故可按三類防雷建筑物考慮。所以PLC模塊也應(yīng)按“三類”防雷要求選型。為進一步提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中加入隔離繼電器對所有的DO/DI模塊進行防雷隔離，同時在系統(tǒng)中加入浪涌保護器對所有的AO/AI模塊進行防雷保護。

3.3自動化控制系統(tǒng)在防雷保護措施不完善情況下受到的損害

因污水處理廠從1995年開始建廠”，中間經(jīng)過多次工藝改造，同時污水處理廠又處于雨季多雷地區(qū)，曾多次發(fā)生雷擊損壞在線監(jiān)測儀表及PLC模塊現(xiàn)象，如2012年6月份廠區(qū)內(nèi)多臺設(shè)備受到雷擊，共計損壞攝像頭4個（主板損壞）包括：CAST池監(jiān)控攝像頭一個;深度處理優(yōu)化單元監(jiān)控攝像頭一個：接觸濾池監(jiān)控攝像頭一個：脫水間屋頂攝像頭一個;損壞進口明渠流量計一臺（表頭顯示正常，無流量數(shù)據(jù)）;損壞出水池液位計一臺（4-20mA信號通道損壞）;多臺鼓風(fēng)機變頻器數(shù)據(jù)丟失等。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)以上設(shè)備所處的建筑物屋頂（包括CAST池）沒有或缺少防雷設(shè)施。且部分PLC模塊及在線監(jiān)測儀表缺少電源防雷模塊及信號防雷模塊的保護，并且各建筑物屋頂及生產(chǎn)技術(shù)辦公樓原先設(shè)計的防雷保護措施已起不到自動化控制系統(tǒng)的防雷保護作用。

3.4防雷保護措施的完善

針對以上情況，對室內(nèi)PLC模塊以及室外儀表加裝了控制電源防雷模塊及信號電源防雷模塊。監(jiān)控系統(tǒng)前端加裝了二合一防雷器。建筑物屋頂對原先沒有的防雷設(shè)施的進行改造，安裝了避雷帶。沒有防雷設(shè)施的加裝防雷設(shè)施以適用于自動化控制設(shè)備對防雷的要求。如在廠區(qū)內(nèi)安裝避雷針及避雷網(wǎng)等防雷裝置。以下對防雷保護的完善情況做一下簡要介紹：廠“區(qū)內(nèi)加裝避雷針及接地網(wǎng)裝置5座、避雷網(wǎng)及接地裝置2座、安裝接地體裝置9個。其中CAST北池中段空地位置安裝30m高獨立避雷針及接地體1座。深度處理優(yōu)化單元西端空地位置安裝30m高獨立避雷針及接地體1座。過濾間與出水泵房中間空地位置安裝30m高獨立避雷針及接地體1座。脫水間屋頂攝像頭附近位置安裝2.5m高避雷針1座，其引下線與原建筑物避雷網(wǎng)相連。生產(chǎn)技術(shù)樓屋頂攝像頭附近安裝2.5m高避雷針1座并與原建筑物避雷網(wǎng)相連。細(xì)格柵間屋頂加裝屋頂避雷帶及接地體2個。加壓泵房屋頂加裝屋頂避雷帶1座及接地體4個。防雷工程嚴(yán)格按照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》的要求對需要防雷保護裝置的位置進行選擇。材料的選用條件：導(dǎo)體的截面積和熔點必須滿足防雷要求。如避雷針制作材料選用：主要材料為圓鋼、鋼板，以此焊接獨立避雷針。分為A段、B段、C段、D段及避雷針針尖共五段，每段為6m，共計30m。12mm規(guī)格厚鋼板做底座。12、16、19、22、25mm等規(guī)格的鍍鋅圓鋼分別做避雷針各段的主材料。接地極所用鍍鋅扁鋼選用40X4mm規(guī)格。避雷針?biāo)缅冧\鋼管焊接在鋼板中心位置。鍍鋅鋼管上端焊接鍍鋅圓鋼（圓鋼頂部應(yīng)磨尖），鋼板用水泥做臺固定，并焊接鍍鋅扁鋼連接至原建筑物避雷網(wǎng)。避雷針建造完成后粉刷防銹漆進行防銹處理后再進行刷銀粉漆處理。安裝完成后，還需對這些防雷設(shè)施進行細(xì)致的檢查與維護，如防雷建筑物檢查每年至少進行1次，建筑物接地電阻不應(yīng)≤109，防靜電接地，電氣設(shè)備工作接地，交流保護接地，保護接地電阻均應(yīng)≤42。所測接地電阻值不符合規(guī)定時，必須進行處理。另外接閃器、避雷針、避雷網(wǎng)需進行外觀檢查，如有發(fā)現(xiàn)開焊或者腐蝕嚴(yán)重的要進行焊接和刷漆。應(yīng)確保引下線與接地裝置的連接處無開焊、腐蝕現(xiàn)象。

通過以上防雷保護裝置的安裝，廠：內(nèi)再沒有發(fā)生因雷擊損壞自動化控制設(shè)備、在線監(jiān)測儀表以及監(jiān)控攝像頭的情況。

4結(jié)束語

自動化控制系統(tǒng)的防雷工作非常重要，這項工作是保證自動化控制系統(tǒng)及其相關(guān)的在線監(jiān)測儀表安全性和使用壽命的必備條件。同時要優(yōu)化和完善相應(yīng)的功能模塊，提高防雷效果，使自動化控制系統(tǒng)的防雷技術(shù)更加先進和實用。

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