南宁给水所防雷技术

莫小强

（南宁铁路局建设管理处，工程师，广西 南宁 530003）

南宁供电段南宁给水所位于邕江边，日供水量约2.5万t，担负南宁铁路地区的运输生产、生活和消防给水。2003年以来，该给水所先后采用了变频恒压供水系统、自动化控制系统。系统设备所采用的高度集成化CMOS电路和CPU单元，都由精密的仪器等设备构成，对瞬间过电压的承受能力很低，在雷雨天气时常被雷击坏。据分析，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。雷电波感应对自动化系统的破坏，主要是通过侵入电源线、通信线和信号线而损坏电源、通信和信号系统。可见，要有效地做好供水自动化系统的雷电防护，应从整个配电电源、通信、信号系统等几个方面入手，采取先进的防雷技术，进行全方位的防雷保护。

1 电源防雷

1.1 雷害的产生 南宁给水所避雷针在拦击大电流（一般超过40 kA）并经引下线入地的过程中，在附近输电线路上形成雷电冲击波，其能量容易与工频回路耦合。雷电冲击波从配电线路进入自控设备的电源模块。虽然配电系统在高低压进线处都已安装氧化锌避雷装置，但是这些避雷器启动电压高并有较大的分散电容，与设备负载之间成为分流的关系，加在自控设备上的残压很高，至少高于避雷装置的启动电压，一般为峰值的2～2.5倍（单相残压不低于0.8 kV），极易造成自控设备损坏。因此，必须通过配电柜的电源防雷器，对通过电源初级防雷器的雷电能量进一步泄放，将几千伏的过电压进一步限制在1 kV左右。

1.2 电涌保护器的选择 电源避雷器应根据电源线前端所处防雷区的不同进行选择。若处LPZ0区，则应选择开关型电涌保护器。是否加装下一级电涌保护器，需根据防雷区的分布即上一级保护器的残压确定。对电源电涌保护器的选择，还应考虑以下技术参数：

1）反应时间。避雷器的反应必须比电涌的速度快，一般在纳秒级，且均符合技术要求。

2）一次处理的最大电流。最大电流（即峰流）是指避雷器的处理最大电流的能力。

3）吸收能量的能力。避雷器吸收能量的能力越高，避雷器的使用寿命越长。

4）钳制电压的能力。将过电压钳制在电器设备所能承受的安全范围之内的能力。

5）体积的大小。避雷器体积越小，电感也越小，防护效果也就越好。

1.3 电涌保护器的安装

1.3.1 安装位置 电源电涌保护器宜安装在各防雷分区的交界处。具体安装位置要求如下：

1）在LPZ0A区和LPZ0B区与LPZ1区交界面处连续穿越的电源线路上，应安装符合一级分类试验的电涌保护器。如一级、二级泵房总电源进线配电柜内，配电变压器的低压侧主配电柜内。

2）在LPZ0B区与LPZ1区交界面处穿越的电源线路上应安装符合二级分类试验的电涌保护器。如沉淀池、过滤池的电源配电柜内。

3）当电源进线处安装的电涌保护器的电压保护水平，加上其两端引线的感应电压保护不了该配电箱供电的设备时，应在该级配电柜安装符合二级分类试验的电涌保护器。其位置一般设在LPZ1区和LPZ2区交界面处。如中控室、软启动器、变频器控制室的配电柜内。

1.3.2 接线要求 电源电涌保护器应并联安装在各系统设备所在的配电柜电源进线处。当安装在装置的电源进线端或其附近时，接线要求如下：

1）当在电源进线端，中性线与PE（保护线）直接相连或没有中性线时，接在每一线与总接地端子或总保护线之间，取其路径最短者。

2）当在电源进线端，中性线与PE（保护线）不直接相连时，有2种接线方式。

方式1：接在每一相线与总接地端子或总保护线之间和接在中性线与总接地端子或总保护线之间，取其路径最短者。方式2：接在每一相线与中性线之间和接在中性线与总接地端子或总保护线之间，取其路径最短者。

1.3.3 具体实施 在一级、二级泵站的三相动力电源处安装AM1-80/3+NPE低压配电系统电涌保护器，作为一级、二级泵站电源的总体保护。此电涌保护器具备80 kA的雷电流泄放能力，适用于三相电源系统的第一级防雷（如图1）。

图1 一级、二级泵站电源电涌保护器安装示意图

在一级、二级泵站软启动器、变频器，投矾系统的变频器电源进线处，分别安装AM2-40/3+PE低压配电系统电涌保护器，作为软启动器、变频器的电源防雷保护。此电涌保护器具备40 kA的雷电流泄放能力，适用于三相电源系统的第二级防雷（如图2）。

在一级、二级泵站，沉淀池、过滤池的PLC电源进线处安装AM2-40/1+NPE低压配电系统电涌保护器，作为PLC的电源防雷保护。此电涌保护器具备40 kA的雷电流泄放能力，适用于单相电源系统的第二级防雷（如图3）。

图2 软启动器、变频器电涌保护器安装示意图

图3 投矾、加氯系统PLC电涌保护器安装示意图

2 通信信号防雷

2.1 雷害的产生 在雷击发生时，产生巨大瞬变电磁场，在1 km范围内的金属环路，如网络线、电话通信线路、视频监控线路等都会感应到雷电，将会影响各系统的正常运行，甚至彻底破坏各系统的重要电子设备。南宁给水所自控系统通信线采用特制屏蔽双绞线，在安装时都是穿管直埋（或电缆沟）铺设，雷电在此处的感应电压不高，一般为1～2 kV，但由于其直接进入PLC或计算机通信口这一薄弱环节（正常电压一般为正负5 V，12 V，24 V，48 V等），足以一次性破坏网络。即使不能一次性破坏设备，但每一次的过电压冲击都会加速网络设备的老化，影响数据的传输和存储，直至网络设备彻底损坏。

2.2 电涌保护器的选择 计算机数据交换或通信频率在0～50 MHZ之间，在选用信号电涌保护器时，主要根据工作电压、工作频率和允许最大信号衰减值等技术参数确定。

2.3 电涌保护器的安装

2.3.1 安装要求 电涌保护器应并联安装在各系统重要电子设备所在的配电柜通信、信号进线处，同时应靠近通信、信号接口处安装，以减小反射损耗。对于需要将瞬态过电压限制在特定水平的信息系统设备，应考虑在该设备前安装符合三级分类试验的电涌保护器，安装位置一般设在LPZ2区和其后续防雷区交界面处。

2.3.2 具体实施 在一级、二级泵站，投矾、加氯间，沉淀池、滤池、中控室工控机相应的模拟信号输入端，各安装1套SR-E06V/2S模块化通信信号电涌保护器（如图4），作为通信信号的防雷保护。此电涌保护器额定电压6 V，最大通流容量10 kA，最大传输速率2 m/s。

图4 通信信号电涌保护器安装示意图

3 接地装置

防雷系统必须有可靠的接地装置。防雷的最终措施是“泄放”，用等电位连接导体或电涌保护器将分开的电器装置、诸导电物体连接起来，以减少雷电流在它们之间产生的电位差。

3.1 一般要求 接地系统的关键是地下的接地装置，这经常成为建立有效接地系统的最大难题。要提供最小而又能长期保持的低阻抗对地泄流，应考虑诸如土壤条件、接地装置与土壤的接触面、接地装置的长期效果（寿命）等因素。自控系统的防雷接地装置必须与强电系统及构筑物的接地装置分开，间距不小于20 m，以减少电磁干扰对自控设备的影响。接地电阻不得大于2Ω。

3.2 具体实施 根据现场实际情况并经电阻测量，南宁给水所一级和二级泵站配电柜、投矾和加氯间、中控室建筑物既有接地极都能满足防雷系统接地装置的要求。因此，一级和二级泵站防雷接地均利用配电柜既有接地极作为防雷接地极，投矾和加氯间、中控室防雷接地均利用建筑物既有接地极作为防雷接地极，沉淀池和过滤池防雷接地均利用池体的钢筋主体作为防雷接地极。连接导线采用铜芯导线或电缆，截面积不小于电源的相线，一般为16 mm2。

3.3 运行维护 每年雷雨季节前应对接地系统进行检查和维护。主要检查连接处是否紧固，接触是否良好，接地引下线有无锈蚀，接地体附近地面有无异常。必要时，应挖开地面抽查地下隐蔽部分锈蚀情况，如果发现问题应及时处理。接地极的接地电阻每年应测量1次，若大于2Ω要进行处理。

4 结束语

南宁给水所在安装防雷系统之前，雷暴天气时配电柜经常跳闸，导致出水泵房突然失电，给水所自动化系统的通信接口也屡遭击坏，致使自动化系统瘫痪，严重影响给水所安全供水。自从安装防雷系统后，其在雷暴天气经受了考验，取得了理想的效果。近2年来，整个系统未再发生因雷击而造成自动化系统瘫痪和停水事故，保证了安全供水。同时，南宁给水所防雷系统的成功安装，为南宁供电段其他自动化给水所的防雷工作提供了经验。