排水泵站自控系统防雷措施浅谈

　　市属排水泵站大多位于城区边缘，且毗邻江河堤岸的开阔地带，地势低洼，春夏两季极易遭受雷电袭击。随着计算机技术、控制技术、通讯技术的发展和广泛应用，泵站的自动化控制也逐步采用由工业控制机IPC或可编程控器PLC组成的集数据采集、过程控制和信息传送于一体的监控网络。由于这些设备大量采用高度集成化的CMOS电路和CPU单元，其对瞬态过电压的承受能力十分脆弱，成为泵站易受雷电损害的主要设备。可见对自动化系统采取有效的保护措施非常必要。

 

　　一、雷电的危害途径

 

　　雷电的危害途径有5种，一是直击雷：雷电直接击在建筑物、构架、树木等物体上，由于热电效应等混合力作用直接对物体造成伤害；二是雷云下的静电感应：一般针对线路而言，在一定强度的雷云下在高压架空线路上可以感应出300—400kV的过电压、在低压架空线路上可以感应出100kV的过电压、在电信线路上也可感应出40—60kV的过电压；三是雷电的电磁感应：雷电流经引下线入地时，在引下线周围产生磁场、引下线周围的各种金属管线上经感应产生瞬间过电压； 四是地电位反击：直击雷经接闪器如避雷针、避雷网等而直放入地，导致地网地电位上升，高电压经设备接地线引入电子设备造成反击；五是雷电波侵入： 电源线和通信线遭受直击雷或感应雷加载了过电压及雷电流以感应的方式耦合到线路上，进而入侵设备。

 

　　二、瞬态过电压对自控设备的危害

 

　　通常，在泵站的设计建设中对于直击雷的防护已经有比较完善的措施。自动化系统大部分置于泵房构筑物之中，网络线、电源线铺设于电缆沟中，因而遭受直接雷击的可能性不大。根据雷电电磁脉冲(LEMP)理论和实践经验证明：

 

　　电子计算机及其它自动化系统设备损坏的主要原因是雷电感应浪涌电压造成的。雷电感应浪涌电压是一种产生在微秒至毫秒之间的尖峰冲击电压，即瞬态过电压。它可以通过电源线、天馈线、通讯线和信号线把感应浪涌电压波引入设备内部，分别损坏电源模板、通讯模板、I/0模板，致使设备产生误动作、暂时瘫痪或立即烧毁元器件。如今年3月份我处黄浦污水处理站遭受雷电袭击，瞬态过电压致使PLC接口、UPS的保险、工控机的端口和电源以及电话线路均遭损坏。

 

　　三、排水泵站自控系统防雷措施

 

　　由此可见，现有的雷电防护体系已不能满足当前自动化系统的安全要求，应从单纯的一维无源防护转为针对防直击雷、防静电感应、防雷电电磁感应、防地电位反击、防感应雷电波侵入以及操作瞬态过电压影响等的有源与无源防护相结合的三维防护体系。我们应从泵站自动化系统的整个配电系统、信号系统、天馈系统、微机网络等几个方面入手，采用接闪、分流、均压、屏蔽与接地等手段，进行全方位的防雷防过电压保护。

 

　　(一) 自控配电系统的防雷

 

　　当雷击发生在输电线路或在输电线路附近时，都将在输电线路上形成雷电冲击波，雷电冲击波容易与工频回路耦合，从而进入自控设备的电源模块，因此，配电线路的防雷是自控系统防雷的重要部分。采用三级浪涌电压保护器(也叫瞬态过电压保护器 SPD)是自控系统目前比较理想的防雷保护措施。

　　采用这种措施与其他防雷措施一样，要特别注意将自控设备的电源用线与照明等其他用电线路严格分开。三级浪涌电压保护器的分布为：第一级在变压器二次侧、进线柜断路器后的三根相线和中性线上，分别对地并联，主要泄放外线等产生的较强过电压，其雷通量大，但是这些避雷器启动电压高而且有较大的分散电容，与负载之间成为分流的关系，从而使加在下一级设备上的残压高，一般为避雷器启动电压的2～2.5倍。第二级在PLC或UPS等专用配电母线处的三根相线和中性线上，分别对地并联，主要泄放第一级残压，分流配电线路上传输过程中的感应或耦合过电压和其它用电设备的操作过电压，有效抑制各种电磁干扰。第三级在PLC、UPS或其它自控设备接线板熔断器后的相线和中性线上，分 别对地并联，主要泄放前面的残压，进一步保护设备不受过电压的干扰。

 

　　(二) 信号系统与天馈系统防雷

 

　　自控系统信号线一般都采用特制屏蔽双绞线(如DH+、MB+)，一般穿管铺设，雷电在此处感应电压在lkV—2 kV范围内，但其直接进入PLC或计算机通讯口(电压在5V—48V之间)，可能会造成的较大的损害。计算机数据交换或通讯频率是从直流到几十兆赫兹(据系统而定)，在选用避雷器时要选用专用信号SPD。当通信电缆感应雷产生瞬态过电压时，雷电流通过SPD支路泄放到大地，SPD的输出限制在设备的允许电压上。

 

　　泵站间的无线电通讯功率低，其连接线都采用同轴电缆。对天馈的防雷主要是选用天馈线路SPD，用来抑制从天线引入的雷电波，它采用波道分流技术，将雷电流和有用的信号分开。当受到雷击时快速有效的将感应雷电流通过雷电支路泄放到大地。

 

　　(三) 屏蔽、等电位处理

 

　　泵房控制室内的电力电缆(线)、通信电缆(线)应该尽量采用屏蔽电缆。在控制室还可以沿地面上布紫铜排，形成闭环接地汇流母排，将配电柜(箱)金属外壳、电源地、SPD接地、机柜外壳、门窗等电位接地就近接到汇流母排上并采用4—10平方毫米铜芯线作为等电位连接线。

 

　　(四) 合理接地

 

　　防雷的首要原则是将雷电流直接接闪引入地下泄放，因而对“接地”一定要重视起来。一般站内的接地主要有构筑物接地、配电系统及强电设备接地、计算机自控系统接地。

 

　　1、构筑物接地通常采用避雷针、避雷带或消雷器，它们的接地处理除用建筑物内钢筋结构接地以外，还应单独铺设引下线引至构筑物接地网。因为如果仅仅采用构筑物钢筋结构接地，在构筑物修建时其钢筋焊接质量不一定能得到保证，雷击时其均压要求不能保证，容易在构筑物内出现强磁场。并且这些接闪器的引下线还应尽量多设几条，使雷电电流有更多的分流途径，以减小每条线上的泄放电流量从而降低感应能量。室内计算机、自控设备要尽量置于远离避雷网导地金属体。

 

　　2、配电系统及强电设备的接地问题已经有相当成熟的措施，而且使用效果也比较理想，尚未出现大的问题，在此就不再叙述。

 

　　3、计算机自控系统是一个特殊用电系统，它包括以下几种接地：系统工作接地(接地电阻不大于4欧姆)，安全保护接地(接地电阻不大于4欧姆)，直流工作接地（信号屏蔽地、逻辑地等不大于2欧姆)。泵站现有状况下难以分开，可以采用联合接地，但要保证接地电阻一定要小于2欧姆。

　　4、三大接地网应分开设置，主要考虑到以下三个原因：一是泵站构筑物大多数在修建时未考虑计算机等弱电设备，且其接闪地和设备地本身已分开设置。二是一个泵站内，为普通用电设备供电的高、低压配电系统中，都采用一个接地系统，由于用电的复杂性，在运行和雷击时常常使零线(地线)电流不为零(Id)。如采用联合接地时(Rd)，必然使计算机接地电位抬高到Id〓Rd，从而可能造成反击。黄浦站的雷击事故经市防雷中心检验测试，断定原因之一便是电位反击造成的。三是新增计算机、PLC系统时，若要与构筑物接地、配电系统及强电设备接地联合接地，其接地电阻要保证小于0.5欧姆，这样一般难以做到而且造价高昂。地网分开设置时应注意避免地网之间的闪络。雷击时，会在地网及附近导体中产生很高电位，地网分开，则可能造成接闪接地体向其它接地体闪络。所以，当涉及自控系统接地时地网之间的距离应大于10M。在接地线引入室内时，若与其它地网距离太近，可局部采取既绝缘又屏蔽的措施。

 

　　参考文献：

 

　　1、《建筑物防雷设计规范》GB50057-94

 

　　2、《计算机房防雷设计规范》GB-50174-93

 

　　3、《计算机控制系统雷击事故的防范》 陶汉雄 《电世界》2003年02期

 

　　4、《信息系统雷击电磁脉冲防护风险评估等级》 范大勇 《电世界》2003年02期