综合防雷在自来水制水系统中的分析与应用

关键字：水厂、综合防雷、接地

随着经济发展和电子技术的进步，自动化控制系统在自来水厂的应用越来越广泛。电子元器件的微型化、集成化程度越来越高，使各类电子设备的耐过电压能力下降，遭雷电和过电压破坏的几率不断上升，对设备与网络的安全运行和自来水的安全生产造成严重威胁。

因此，对水厂自动化系统采取有效的保护措施是非常必要的。

瞬间过电压是指在微妙到毫妙之内所产生的脉冲电压，一般来说有两种产生途径：雷击和电气开关动作。

1、建筑物避雷网只能保护其本身免受直击雷损害，雷击会通过以下两种方式破坏电子设备：A、直击到电源输入线，经电源线进入而损害设备，因电力线上安装的各种保护间隙和电力避雷器，只可能把线对地的电压限制到小于6000伏，而线对线无法控制；B、以感应方式偶合到电源、信号线上，最终损害设备。

2、由线路投切、故障或其它原因在系统中引起的相对地或相间瞬态过电压而损害设备。

瞬间过电压使电子设备讯号或数据的传输与存储受到干扰甚至丢失，致使电子设备产生误动作或暂时瘫痪；重复影响而降低电子设备寿命甚至立即烧毁元器件及设备。这一切都会给生产和工作带来较大损失。

通常水厂自动化系统的控制站都置于构筑物之间，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较小，其防护的主要对象是雷电波侵入对自动化系统进行破坏。主要是通过侵入电源线、天馈线、通讯线和信号线而分别损坏制水系统PLC子站的电源模板、通讯模板、I/O模板；也有可能从接地网引入信号电流和接地电流干扰设备，损坏自动化系统或影响其运行。

要尽可能降低雷电对自动化系统带来的损失，就必须采取系统的、综合的防雷措施，应从配电系统防雷、自控系统网络线路防雷、构筑物防雷和合理接地等几个方面着手进行综合防护。

1、自控配电系统的防雷

  当雷击输电线或雷闪放电在输电线附近时，在输电线路上形成雷电流冲击波，其能量主要集中在工频至几百赫的低端，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以及从配电线路感应到同一电缆沟内的自控网络线上进入自控设备的通讯模块的几率比从天馈和信号线路进入的要高得多，因此配电线路的防雷是自控系统防雷的关键。

水厂的配电系统在高、低压进线都已安装有阀型避雷器、氧化锌避雷器等避雷装置，但自控设备的电源机盘仍会受雷击而损坏，这是因为这些措施的保护对象是电气设备，而自控设备耐过压能力低，同时，这些避雷器启动电压高而且有较大的分散电容，这样与负载之间成为分流的关系，从而加在自控设备上的残压高，极易造成自控设备的损坏。

由于上述原因，用单一的器件或单级保护很难满足自控设备对电源的要求，所以对电源防雷应采取多级保护措施。电源系统雷击电磁脉冲的防护，一般采用三级防护：

（1） 第一级：一类试验产品SPD1，主要用于电源系统的总体防护，一般安装于电源总闸的输出端，主要参数入下：

最大雷击电流：100KA（10/350us）；

响应时间    :100ns；

电压保护水平：2.5KV；

（2） 第二级：二类试验产品SPD2，主要用于电源系统的局部防护，一般安装于分配电箱的输出端，主要参数入下：

最大雷击电流：40KA（8/20us）；

响应时间    :25ns；

电压保护水平：1.5KV；

（3） 第三级：二类试验产品SPD3，主要用于电源系统中具体贵重、核心设备的防护，一般安装于具体设备的输入端，主要参数入下：

最大雷击电流： 5KA（8/20us）；

响应时间    :25ns；

电压保护水平：1KV. 

2、控制站构筑物的防雷

制水PLC子站是制水系统的控制和信息中心，集中了很多位重值高的计算机设备、通讯设备、仪器仪表，是水厂自来水生产的最重要环节，所以在防雷上的要求更高。

对于站内的信息系统的防雷保护，首先要合理布线，所有线路穿金属管，埋地并做好良好接地，做好线路对雷击电磁脉冲的屏蔽和分流，再按照每一类线路的物理特性，合理选择信号SPD安装在相应的设备接口，以达到对信号系统的良好保护，如：对于网络接口，可以选择安装相应的RJ45网络SPD进行保护。控制站所在构筑物应安装避雷带、避雷网，且构筑物的接地电阻须小于10欧。

3、合理接地

防雷的最终措施是将雷电流对大地泄放，因而接地系统是防雷的一个重要组成部分，一般厂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。如果这三类接地配置不合理，极易在雷击时通过接地网对自控系统造成反击。

计算机自控系统是一个特殊的用电系统，它包括以下几种接地：系统工作地、直流工作地、安全保护地、防雷接地。对于这几种接地建议采用部分联合接地和直流地单独方式进行接地处理。原因有以下几点：

A、水厂`构筑物大多数在修建时没有考虑计算机等弱电设备，其接地是采用构筑物的接闪地且其阻抗不能满足自控系统的要求，这样无形增加了计算机自控系统雷电冲击几率和不稳定性。

B、一个水厂内，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，如果采用联合接地时，必然使计算机接地电位抬高，从而可能造成反击。

4、避雷器的选型及安装布线

要发挥良好避雷功能，防雷器应不会对保护的设备或线路造成任何干扰和中断现象；选择避雷器时要定期对每一个避雷器进行检测确保能安全在线运行，电源避雷器须提供相对地、中对地及相对中的全面保护作用。

总之，由于计算机、PLC系统大量使用，其对瞬间过电压承受能力较弱，同时控制系统各种线路伸入到工厂的各种环境之中，采用任何单一的防雷器件都难以保证其安全，必须采取综合防护的措施对症下药，将各类可能引起雷电流的因素排除，才能将雷害减少至最低限。