水厂自动化系统防雷保护工程的设计

潘　冰，冉丹婷，王庚平

（1.甘肃省膜科学技术研究院，甘肃 兰州730020；2.兰州资源环境职业技术学院，甘肃兰州730020）



水厂自动化系统防雷保护工程的设计

潘冰1，冉丹婷2，王庚平1

（1.甘肃省膜科学技术研究院，甘肃 兰州730020；2.兰州资源环境职业技术学院，甘肃兰州730020）

摘要：近年来随着自动化技术的不断发展，我国的许多自来水厂均将先进的自动化技术大量运用在水厂管控系统的升级换代上。目前水厂的自动化控制系统普遍采用由工业计算机IPC和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。但是由于此类设备承受瞬间过电压的能力较弱，因此雷击经常致使设备损坏从而导致整套系统瘫痪。结合华亭县安口水厂自动化系统防雷保护工程的设计，为水厂自动化系统如何防止瞬间过电压侵害提供实际参考。

关键词：水厂自动化系统；防雷保护设计；防雷接地保护

1　概述

安口自来水厂位于甘肃省平凉市华亭县，主要担负着华亭县安口镇以及周边乡镇人口的生产生活供水。水厂在厂区东北侧的山麓顶部建设有一座大型高位蓄水池，水池水位的高低由安装于水池内的液位变送器检测，通过电缆将液位信号传送至山脚下的水厂控制室，再通过二次仪表显示，工作人员可以根据水池水位的高低由厂内供水泵将经过处理后的合格自来水提灌至高位蓄水池内，再通过自流由管道输送至各用水点。

由于安口水厂所在的地区属于多雨山区，且高位蓄水池位于距水厂500m附近的山麓最高点，水池液位监测系统多次遭受雷击破坏。最严重的一次，雷雨天气致使水厂供配电设备损坏和控制系统瘫痪，造成较大的经济损失。分析原因，主要是因为防雷设施不健全，水厂控制室和高位蓄水池没有接地网；其次，由于液位信号采用电缆明线传输，又没有二级防雷措施，更容易造成雷击灾害。有鉴于此，2010年，安口自来水厂对水厂老旧的供电设施及控制系统进行自动化升级改造，同时实施了防雷保护工程。

2　水厂自动化系统改造

2.1计算机监控系统

监控中心（原控制室）采用由上位机和PLC组成的集散监控模式，水厂内所有需要监视控制的设备，如供水泵、加药泵、电动阀等均接入PLC控制柜。管理人员可以随时在上位机对上述设备进行远程开启、远程关闭等操作。同时，管道流量、管网压力、浊度等供水系统重要的运行参数均采集到监控系统中，经过数据处理后直观的显示在电脑上，管理人员可以根据系统实时运行参数随时调整运行设备，达到稳定高效的运行效果。除此之外，监控设备出现过载、超压等故障时，上位机控制界面会以中文形式报警，提醒操作人员及时排除故障，保证系统正常运行。

2.2高位蓄水池液位信号无线远传

考虑的改造成本和施工难度，同时为了彻底解决液位信号采用电缆明线传输易遭受雷击的安全隐患，高位蓄水池的液位信号传输采用无线传输的技术，分别在山底水厂监控中心和山顶高位蓄水池控制子站安装数传电台，通过数传电台将液位变送器采集到的水位信号，采用无线方式远传到监控中心PLC柜内。上位机通过RS485通讯，将水位信号从PLC内读取到上位机组态系统中，实现水池水位的即时监测。同时，自动化系统可以根据水池水位的高低自动启停供水泵为水池补水，极大地降低了管理人员的工作强度。

3　水厂自动化系统防雷保护设计

防雷保护系统如图1所示，因为水厂自动化系统的除无线通讯天线外其他控制设备均置于建筑物之中，故会对自动化系统造成破坏的方式有直击雷和雷电波入侵两种，首先该水厂山顶控制子站和山下监控中心所在构筑物房顶装有数传天线，并未采取防雷保护措施，有遭受直击雷的风险。其次由于整套系统中所有网络线、电源线等虽敷设于电缆沟中担仍然存在雷电波侵入风险。造成雷击风险原因主要有以下两点：一是雷电波通过信号线、天线馈线、电源线和通讯线侵入，分别导致自动化设备的电源模块、通讯模块、I/O模块的损坏；二是雷电造成地电位反击危害，因接地不良，或未做共用接地，使雷击造成的高的地电位沿接地线损坏自动化设备从而影响系统的正常运行。故整套系统的防雷保护必须从配电系统防雷保护、自控系统线路防雷保护以及建筑物防雷接地保护三方面着手。

图1　防雷保护系统图

3.1配电系统防雷保护

水厂在高压、低压进线端需安装有符合classⅠ级分类试验的电涌保护器，能够直接承受超大雷电流冲击，并起到限制过电压和分流电涌电流的作用，对整个厂区的供配电系统进行第一级防护。但是由于负责给自控设备供电的配电装置耐过压能力低，同时，第一级避雷器的启动电压高而且有些有较大的分散电容，因此在第二级即控制室PLC的专用隔离变压器前安装有符合classⅡ级分类试验的电涌保护器，主要泄放第一级的残压、配电线路上感应出的过电压以及其他用电设备的操作过电压；末级在PLC的专用电源模块进线侧安装限压型mov电涌保护器模块，继续泄放残压，使之达到设备可承受的箝位输出。

除此之外，自控系统的所有电源线均采用单独布排，各级的避雷装置在设计和安装时尽可能的靠近被保护装置，以上举措对于防止雷电波入侵发生全反射都有较好的效果。

3.2自控系统线路防雷保护

自控系统中上位机和PLC的通讯采用RS485。通过特制的屏蔽双绕线实现数据交换。双绕线敷设方式为电缆沟单独敷设，发生雷击时雷电在此处形成的感应电压约为1-2KV。由于RS485的供电电压通常为2-6V，所以雷击造成的感应电压极易对计算机和PLC的通讯接口造成损坏。由于上位机和PLC的通讯在整套系统里属于人机交互最重要的环节，因此在设计时属于重点防护对象。此类系统避雷器件的选择不同于配电系统，不能选择常规氧化物避雷器。因为此类器件分布电容大，对高频的损耗较大。因此设计采用专用于信息控制系统的信号型避雷器，该类展品插入损耗低，可以有效防止信号反射现象。

水厂监控中心与山顶高位蓄水池监控子站间为无线通讯，对天馈的防雷主要是选用同轴电缆避雷器。同时加装避雷针，避雷针采用高效防腐铜棒做独立接地体。接地引入线长度小于15m，选用40mm×4mm镀锌扁钢，同时作防腐、绝缘处理。

3.3控制室防雷接地保护

水厂监控中心是控制和信息中心，同时也是全厂生产监控和调度的中心。因此其雷电防护显得尤为重要。尽管监控中心所在构筑物高度较低，但是地处空旷且临近水源。所以极易遭受各方向的各种形式的雷击，且屋顶架设有无线通讯天线。因此防雷的措施主要为以下两点：

3.3.1安装避雷针

水厂中控室所在构筑物已有避雷网。设计时仅对通讯天线加装避雷针，并使天线位于避雷针的保护范围以内（保护范围按滚球法确定为），避雷针的接地除用建筑物内钢筋结构接地以外，还单独设置接地体。接地体采用高效防腐铜棒做独立接地体。铜棒埋深顶端距离地面大于0.7m。

图2　接地设计

3.3.2接地设计

各车间的仪表、控制设备先在PLC站设立一个接地网，有水平接地体、垂直接地体、接入引入线、接地汇集线等组成1圈或2圈环形接地装置，然后用接地带将各接地网联接，实现等电位连接。设计如图2所示，经检验，接地电阻

值符合防雷的国家规范要求。

4　结束语

华亭县安口水厂自动化系统防雷保护工程于2011年10月按照设计和标准规范完成安装调试工作后，经检测所有接地网的接地阻值均小于4Ω。该防雷工程自投用至今，所有设备运行正常，再也没有遭受雷击的影响，保证了水厂自动化系统的稳定运行。运行结果表明水厂的自动化系统防雷，不应仅注重防雷器件的选择，还应注意防雷和接地的综合设计。规范的接地对防雷保护方案起到至关重要的作用，只有设计合适的线缆布放、屏蔽及接地方式，才能将安全隐患降到最低。

参考文献：

[1]GB50057-2010[S].建筑物防雷设计规范.

[2]GB5017493[S].电子计算机机房设计规范.

[3]罗文洛.水厂自控系统防雷.电气时代[J].2003（3）.

中图分类号：TM862