防雷技术在水厂自动化控制系统中的应用

杨时

摘 要:结合水厂防雷工程的实施,探讨了针对水厂自动化控制系统的防雷技术,包括避雷装置,接地设计,自控设备及线路的雷电防护。

关键词:防雷技术水厂自动控制

中图分类号:TP393.11 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)07(a)-0002-02

随着供水量的增加和自动化水平的不断提高,供水系统中已使用了相当数量的计算机、RTU和其他微电子设备。目前水厂的自动化控制普遍采用由工业计算机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。通过中控室的上位机监控现场设备的工作状况及调整运行参数,需要将上位机和现场的各个执行单元连接起来构成一个密集而庞大的监控网络,进而自动完成全部生产运行。由于这些设备大量采用高度集成化的CMOS电路和CPU单元,其对瞬间过电压的承受能力大幅降低,成为水厂受雷电损害的主要设备。这就需要一种合理的工程保护方式,既要防护直击雷,又要防护雷电电磁脉冲,即综合防雷工程。

1现代防雷技术

现代防雷技术要求实施系统防雷工程。IEC/TC-81(国际电工委员会第81防雷小组)的技术定义将现代防雷工作总结为:DBSE技术,即分流(Dividing)、均压(Bonding)、屏蔽(Shielding)、接地(Earthing),如果将这四项技术加之综合,成为有效的防护设备,以实现立体化、全方位的防雷目的。

2雷击瞬间过电压危害

电子设备数据或讯号的存储与传输都有可能受到瞬间过电压的干扰而引起丢失,导致电子设备暂时瘫痪或误动作;如果反复的对其产生影响则会降低电子设备的使用寿命,严重时可能造成元器件及设备烧毁,这些都将对工作和生产生活造成影响。一般来说都将水厂自动化系统的控制站设于构筑物内,在电缆沟中铺设电源线、网络线,所以受到直接雷是不太可能的,对其防护的重点主要是感应雷。有关统计数据显示,在计算机类设备雷击事故的原因中感应雷侵入占到85%,雷电波侵入主要通过信号线、天线馈线、电源线和通讯线侵入,并分别导致I/O模板、通讯模板、电源模板的损坏。

依照瞬间过电压的危害、产生途径和大量应用高集成CMOS电路的自控系统以及CPU单元及集监测、通讯、控制为一体且分散的特点,我们认为对自控系统要尽可能降低雷电带来的损失,就必须采取系统的、综合的防雷措施。特别应从对外部直击雷的侵袭以及从电源、信号线入侵的感应雷电流及过电压进行泻放和拦截为手段,并以接地系统、线路浪涌拦截,线路屏蔽、等电位联结等措施来提高水厂自动化控制系统的雷电防护能力,从而形成一个多层次完整的防护系统。

3防雷技术在水厂自控系统中的应用

3.1 接地

要实现防雷目的最根本的措施是“泄放”,因而对“接地”且不可掉以轻心。在厂内的接地一般要有计算机自控系统接地、强电设备及配电系统接地、构筑物接地。如不能合理配置这三种接地,极有可能在遭受雷击时,自控系统会被来自接地网的反击。

对于计算机自控系统这样一个特殊的用电系统,可以采取下面的几种接地方式:安全保护地(<4Ω),直流工作地(逻辑地、信号屏蔽地等<2Ω),系统工作地(<4Ω)。在对设备进行安装时,是难以将他们分开的(由其是对PLC系统),采用联合接地方式,可能是最好的。接地电阻至少要<2Ω。目前一般都将水厂的三大接地网分别铺设。虽然部分联合接地方式也有采用,但在分开设置在水厂中还是比较好的选择,主要因为以下几点。

(1)在修建时水厂里的建筑物大部分都未对计算机等弱电设备加以考虑,且本身其设备地和接闪地已分别铺设。

(2)在水厂内,在给普通用电设备供电的高、低压配电系统中,一般都采用一个接地系统,在雷击和运行时,由于用电的复杂性,通常零线电流不为零(Id)。如采用联合接地时(Rd),计算机接地电位必然被抬高到Id Rd,因此有可能导致反击的产生。

(3)应注意避免在地网分开铺设时,地网之间产生的闪络。当遭受雷击时,地网及附近导体中会感应出很高的电位,如果将地网分开,则可能导致接地体向其它的接地体闪络。所以,当涉及自控系统接地时,地网之间的距离SK应大于10m。

3.2 等电位联结

为使自控系统机房内防雷区交接界面处做好等电位联结,应将建筑物自控系统机房内各种金属部件用接地线联结,以改善机房内的电磁环境。等电位联结是用连接导线,把自控系统机房内的各种设备以及导电体、金属线槽等与建筑物的综合接地系统相连接,把不同暂态过电压区域之间所形成的暂态电位差消除掉,使之构成电气上的等电位联结整体。

另外,在界面处,将所有穿过防雷区界面的导电物、屏蔽层、信号SPD或者通信线的屏蔽层做局部等电位联结。出入机房的电力线,通信线等在不同位置时,应该就近连到综合等电位联结带上。

自控系统机房的各种箱体、支撑架等金属组件与建筑物总接地系统的等电位联结方法有两种,分别是:M型网络,为多点接地,其特点是接地阻抗低,但易引来侵入电流。S型网络,为一点接地,其抵抗电磁的干扰能力比较强。选用S型(星型)网络、M型(网型)网络。具体应根据机房信息系统设备信号频率和电磁干扰频率及系统的规模大小来选用S型网络还是M型网络等电位联结方式。

3.3 屏蔽措施

屏蔽是减少自控系统内电磁干扰的感应效应的基本措施之一,主要方法是利用建筑物的各种金属屏蔽体来阻挡或者衰减电磁干扰以及过电压能量,包括建筑物自然屏蔽、建筑物内外线路屏蔽、弱电机房人工屏蔽。

建筑物的自然屏蔽由建筑物金属支撑物、金属框架或钢筋混凝土楼板和柱子的钢筋等自然构件互相联结,构成一个“法拉第笼”式的外部屏蔽层。其屏蔽效果可通过磁场强度的衰减情况来表达。

自控系统机房的人工屏蔽是将机房天花板龙骨、防静电地板以及敷设的金属屏蔽线槽等金属构件互相连接,并可靠接地,使其构成屏蔽空间;从而使LEMP被有效地减弱。另外,所有出入自控机房的线路穿金属套管或线槽,也可采用有金属屏蔽的电缆。并在防雷区交界处将金属管槽、电缆屏蔽层两端做等电位联结。

3.4 自动控制设备SPD的要求与设置

3.4.1 电源系统浪涌保护器SPD

当在输电线附近发生雷闪放电或雷击输电线时,都将有较大的雷电冲击波在输电线路上形成,其主要能量为工频至几百赫的低频能量,它们极易与工频回路相耦合。雷电冲击波将有可能从配电线路感应到自控网络线而耦合到自控设备,而影响其通讯模块的正常工作以及从配电线路耦合到设备的电源模块。

水厂的配电系统都安装有氧化锌、阀型避雷器等避雷装置在高、低压进线上,但雷击后仍然可能导致自控设备电源的损坏。造成这一现象的原因是因为自动控制设备的耐过压能力较低,而避雷器有较大的分散电容并且启动电压高,导致分散电容与设备负载间构成了一个分流的关系,从而将较高的残压加在了自控设备上,至少要比避雷装置的启动电压高,一般为2～2.5倍的峰值,极易对自控设备造成损坏。危害自控系统的另一重要原因是大型设备的同时启停引起的操作过电压。

综上所述,用单级保护或单一的器件满足自控设备对电源的要求是很难实现的,所以应采取多级保护措施对电源进行防雷。根据各自实际情况确定具体级数,见(图1)。在变压器的低压端安装第一级电源SPD,主要对外线等产生的过电压进行泄放,它的通雷量较大(10/350us),且具有较高的启动电压(920V～1800V)。在各PLC控制站的专用隔离变压器前放置第二级,主要是将配电线路上的感应过电压、第一级残压和操作其它用电设备时产生的过电压进行泄放、其通流量居中(8/20us),启动电压也居中(470V～1800V)。隔离变压器可以有效的抑制各种电磁干扰,所以安装它是非常重要的,隔离变压器对雷电波同样可以产生有效。在PLC专用电源模板前安放末级避雷装置,主要用于对前面的残压进行泄放,完全可以实现箝位输出的作用,其具有残压低(1.25kV以下),响应速度快等优点。应该尽量靠近被保护设备安放各级避雷器,以避免雷电侵入波的全反射发生。可据系统对各级启动电压进行确定,但应尽量使末级实现箝位输出。国内外的电源SPD均能有较好的性能表现。有些设计比较完善的设备还具有避雷器漏电流检测电路、雷击计数器、放电管,其检测、使用将更加的方便。将电源SPD应用与自来水厂配电系统后,一般情况下其自控设备都不再会遭受过电压而损坏。

3.4.2 信号线路浪涌保护器SPD

水厂自控系统的通讯线都应采用特制的加屏蔽层的双绞线(如DH+、MB+),并且一般铺设方式都采用穿管直埋(或电缆沟)的方式,所以在此处由雷电引起的感应电压都不高(1kV～2kV)。但因为其可以直接进入计算机通讯端口或PLC,这一相对较薄弱的环节,会造成较大的损害。

计算机通讯频率或数据交换,跟据系统的不同,一般是从直流到几十兆赫兹,在计算机通讯端口或PLC安装相对应的网络信号SPD。SPD接地线与接地汇流排连接,接地线长度应小于0.5m。

网络信号SPD由气体放电管+氧化锌压敏电阻+箝位二极管组合成复合避雷器,一般箝位二极管都具有较低的残压,如果假设额定电压24V,那么它的残压一般介于24V～30V间。如图2所示

4结语

总之,计算机和PLC系统对瞬间过电压的承受能力都很脆弱,同时在水厂控制系统中的各种线路错综复杂,如果只使用单一的防雷措施是很难保证水厂自控设备的安全运行,必须采取综合防护措施。对症下药,全面考虑,排除各类可能引起雷害的因素,才能把将雷电灾害降低到最低。

参考文献

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