浅淡净水厂通信总线的防雷保护

莫国礼

摘 要：本文以广州市净水有限公司大沙地分公司现场通讯总线防雷整改为例介绍一种多级防雷保护措施在生产通信上的应用，以期达到分享交流目的。

关键词：通信总线; 防雷保护; GDT

现场总线是顺应智能现场仪表而发展起来的一种开放型的数字通信技术，其发展的初衷是用数字通信代替一对一的I/O连接方式，把数字通信网络延伸到工业过程现场。根据IEC和美国仪表协会ISA的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。但是伴随着使用频率的增高，其遇到的问题也日益增加。例如，日常生活中雷电和静电干扰已经成为通信总线在实际工程经常遇到的问题。故如何对芯片以及总线进行有效的保护，是摆在每一个使用者面前的一个问题。以下，笔者结合广州市净水有限公司大沙地分公司现场通信总线使用过程遇到的故障及修复整改来谈谈防雷保护经验。

1 现场总线的概况

1.1 自控系统介绍

广州市净水有限公司大沙地分公司的自控系统是采用Rockwell公司的人机界面软件RSView来开发的，其监控范围包括：进水泵房、沉砂池、反应池、二沉池、清毒池、鼓风机房、脱水机房。上述各个仪表通过 PROFIBUS – DP与各个分站通信，交换数据。

1.2 周边雷电环境及其對通信总线的影响

分公司位于黄埔货运码头和文冲船厂之间，其中两条65万伏的过江高压线横跨厂区，并且在鼓风机房、出水仪表设备附近安装有中国移动、中联通的通信基站（通信基站建设对周边雷电环境的影响已有其它论文论述，本文略）

PROFIBUS – DP总线实行长距离传输（1200米以上），而且其传输线通常暴露于户外，因此极易因为雷击等原因引入过电压。另外，总线收发器工作电压较低（5V左右），其本身耐压也非常低（-7V～+12V），一旦过压引入，就会击穿损坏，再有强烈的浪涌能量出现时，甚至可以看到收发器爆裂，线路板焦糊的现象。

1.3 现场总线受雷电影响的情况

我分公司的现场通信总线电磁环境复杂，特别是中国移动、中联通的通信基站投入使用后令电磁环境更加恶劣，导致鼓风机房、出水仪表设备附近成为雷击的重灾区。如：2016年发生的一次雷击，就造成了出水流量计、中水流量计、通信中继器、通信模块等设备的损坏，直接的经济损失就超过25万。因此，雷击现象对我分公司的现场通信影响是巨大的，防雷保护必不可少。

2 通信总线防雷设置

2.1 通信总线防雷保护器的基本要求

在正常运行时，雷电保护器的接入应不影响信号的正常传输，雷电保护器的对地阻抗应非常大，串连在电路中的阻抗应非常小，在雷电袭击通信总线时，雷电保护器应发挥良好的电压钳位作用，其钳位电压应低于后端控制芯片或其它电器件的耐受电压水平。在抑制雷电袭击过程中，雷电保护器自身应完好无损，雷电保护器对雷电袭击应具有足够快的响应速度。

2.2 防雷保护器的原理

总线的防雷保护器的原理：当雷击发生时，感应过电压由两端引入，GDT做一级防护，此时过电压被大大削弱到数百伏左右，再经过PPTC限浪，TVS做二次限压，使到后端电路的电压被箝制在8V左右，从而实现对后端电路的保护。TVS2/3做共模保护，TVS1做差模保护。

2.3 整改前的防雷设置

大沙地分公司的现场通信总线设计有基本的防雷保护保护措施，对室外分散仪表的防雷保护则靠建筑物的防雷带给予保护。

2.4 室外分散仪表的防雷整改

因为原有室外分散仪表未作单独的防雷保护，为保证室外分散仪表免受雷击影响，需安装必要的防雷保护保护措施。为此加装一般位置通信总线的防雷保护，即在仪表端增加防雷保护器。其优点是结构简单、经济方便、安装容易对信号的衰减影响最小。缺点是防雷保护能力一般，不能承受大的雷击能量。故该方案只能针对雷电环境一般的通信总线，而对我厂的雷电重灾区则明显不足。

2.5  雷电重灾区防雷保护保护措施

2.5.1 多级防雷保护及其通信形式的整改

防雷保护器中的陶瓷放电管GDT能承受大量的雷击，但不可能一次将雷击电压钳制在通信收发器耐压可承受的范围内，故对我厂的雷电重灾区要采用多级防雷保护措施。

该通信形式有如下特点：

在通信总线长度的适当位置加装防雷地极增强防护效果，共加装两条。地极的要符合要求。一般防雷地极都要可靠的连接至大地，且接地电阻不能超过10欧。可靠的接地可以大大提高防护效果，而不良的接地也会大大消弱防护效果。

为改善增加防雷保护器造成通信信号的衰减在通信总线适当位置加装西门子通信中继器，利用通信中继器信号放大功能，有效改善通信能力和稳定性。同时通信中继器和两只防雷保护器串联利用陶瓷放电GDT和TVS的保护把总线电压钳制在通信收发器耐压可承受的范围内。

在重要的仪表和通信分站的入口端加装一个自制的雷击自动熔断器加以保护。

为验证通信形式防雷保护的防护效果，可在通信分站的入口端的雷击自动熔断器泄压地极加装一个雷击计数器

2.5.2 DIY雷击自动熔断器的原理

雷击自动熔断器的原理如图1所示，当普通能量的雷击发生时，感应过电压由A、B两端引入，第一级的GDT被击穿，向地极放电，此时过电压被大大削弱到数百伏左右，再经过PPTC限浪，TVS做二次限压，把总线电压钳制在通信收发器耐压可承受的范围内。但当巨大能量的雷击发生或出现短时反复的雷击，第一级的保护失效或不能把总线电压钳制在通信收发器耐压可承受的范围时，过电压经过FU（电子快速动作熔断器）击穿第二级的GDT向地极放电，电流超过电子快速动作熔断器的限值，电子快速动作熔断器动作熔断，从而切断过电压的通道，实现对后端电路和设备的保护。

（1）保护等级：

可通过IEC61000-4-5，4级标准。

（2）主要器件选择

GDT： 3SPC090F

PPTC： MSM020

TVS： SMBJ10CA

FU：电子快速动作熔断器 TDC600

2.6 整改后通信总线的防雷效果

雷击计数器是一个用电流互感器检测从GDT向地极释放电流大于1KA即加1的计数器。为验证通信形式防雷保护的防护效果，在通信分站的入口端的雷击自动熔断器泄压地极加装一个雷击计数器。从安装至今共运行了两年多，雷击计数器显示，该通信总线至少受到74次的雷击，而没有损坏任何的设备，且通信稳定抗干扰能力强，连续无故障运行大于200天。

3 结束语

雷电能够使各种通信总线构成的系统遭到毁坏，严重地影响通信总线的数据传输质量，因此对通信总线及各种仪表通信都需作必要的防雷保护措施，以免导致传输数据的失效。另外，对总线布线乱，与动力线同槽，接地混乱等现象是多数厂共有的缺点，笔者在总线的维修过中，发现多数的总线通信故障与干扰，甚至雷击都与这些缺点有关，故规范总线的布线，是减少通信故障与干扰的首要条件。

参考文献：

[1]通信基站建设对周边雷电环境的影响分析及防护措施  《山东师范大学学报：自然科学版》2011年 第1期 | 马守强 高晓梅

[2]现场总线技术工业以太网及其应用技术   机械工业出版社   李正军

[3]防雷与接地技术概论   华南理工大学出版社  刘刚

（广州市净水有限公司大沙地分公司， 广东 广州 510000）