水廠自動化系統(tǒng)防雷方案

1、水廠自動化系統(tǒng)防雷方案系統(tǒng)介紹：隨著計算機(jī)技術(shù)(Computer)、控制技術(shù)(Control)、通訊技術(shù)(Communication)、顯示技術(shù)(CRT)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，目前水廠的自動化控制普遍采用由工業(yè)計算機(jī)IPC或可編程控器PLC組成的集數(shù)據(jù)采集、過程控制和信息傳送于一體的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。由于這些設(shè)備大量采用高度集成化的CMOS電路和CPU單元，其對瞬間過電壓的承受能力大幅降低，成為水廠受雷電損害的主要設(shè)備。所以對自動化系統(tǒng)采取有效的保護(hù)措施是非常必要的，明析瞬間過電壓產(chǎn)生途徑和危害是正確采取防護(hù)措施的前提。一、瞬間過電壓的產(chǎn)生瞬間過電壓是指在微妙至毫秒之內(nèi)所產(chǎn)生的的尖峰沖擊電壓而非一般電源上

2、的所謂過壓(一般電源過壓可能維持?jǐn)?shù)秒及以上)，瞬間過電壓有兩種產(chǎn)生途徑：雷擊和電氣開關(guān)動作。1、一般構(gòu)筑物避雷網(wǎng)只能保護(hù)其本身免受直擊雷損害，雷擊會通過以下兩種方式破壞電子設(shè)備：直擊到電源輸入線，經(jīng)電源線進(jìn)入而損害設(shè)備，因電力線上安裝的各種保護(hù)間隙和電力避雷器，只可把線對地的電壓限制到小于6000伏(IEEE C62.41)，而線對線無法控制。以感應(yīng)方式(電阻性、電感性、電容性)偶合到電源、信號線上，最終損害設(shè)備。2、當(dāng)電流在導(dǎo)體上流動時，會產(chǎn)生磁場存儲能量并與電流大小和導(dǎo)線長度成正比，當(dāng)電器設(shè)備(大負(fù)荷)開關(guān)時會便產(chǎn)生瞬間過電壓而損害設(shè)備。二、瞬間過電壓對電子設(shè)備的危害瞬間過電壓使電子設(shè)備訊

3、號或數(shù)據(jù)的傳輸與存儲都受到干擾甚至丟失，至使電子設(shè)備產(chǎn)生誤動作或暫時癱瘓；重復(fù)影響而降低電子設(shè)備壽命甚至立即燒毀元器件及設(shè)備。這一切都會給生產(chǎn)和工作帶來較大損失。通常水廠自動化系統(tǒng)的控制站都置于構(gòu)筑物之中，網(wǎng)絡(luò)線、電源線鋪設(shè)于電纜溝中，因而遭受直接雷擊的可能性不大，其防護(hù)的主要對象是雷電波侵入(感應(yīng))。按國外資料統(tǒng)計雷電波侵入(感應(yīng))占計算機(jī)類設(shè)備雷擊事故原因的85%，按成都市自來水總公司資料統(tǒng)計占水廠自動化系統(tǒng)雷擊事故原因的100。雷電波侵入(感應(yīng)偶合)對自動化系統(tǒng)的破壞，主要是通過侵入電源線、天饋線、通訊線和信號線而分別損壞電源模板、通訊模板、IO模板；也可能因感應(yīng)從信號采集線和接地網(wǎng)引入

4、有害的信號電流和接地電流，損壞自動化系統(tǒng)或影響其運(yùn)行。根據(jù)瞬間過電壓產(chǎn)生、危害途徑和自控系統(tǒng)大量采用高度集成化的CMOS電路和CPU單元及集控制、通訊、監(jiān)測為一體且分散面廣的特點，我們認(rèn)為對自控系統(tǒng)要盡可能降低雷電帶來的損失，就必須采取系統(tǒng)的、綜合的防雷措施。特別應(yīng)從配電系統(tǒng)防雷、自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)線路防雷、構(gòu)筑物防雷和合理接地等四方面著手。設(shè)計依據(jù)：1. GB 5005794（2000版）建筑物防雷設(shè)計規(guī)范2. GB50343-2004建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范 3. GB50174-93 電子計算機(jī)房設(shè)計規(guī)范4. GB16895.22-2004 建筑物電氣裝置 第5-53部分：電氣設(shè)備的選擇

5、和安裝，第534節(jié)：過電壓保護(hù)電器5. GB 18802.1-2002低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器 第1部分：性能要求和試驗方法6. GB/T 18802.21-2004低壓電涌保護(hù)器第21部分：電信和信號網(wǎng)絡(luò)的電涌保護(hù)器（SPD）性能要求和試驗方法 水廠自動化系統(tǒng)具體設(shè)計方案整個水廠的自動化系統(tǒng)，主要由上位機(jī)、PLC和各類監(jiān)控、分析儀表組成：由于中控室和PLC站在整個系統(tǒng)中十分重要，所以我在選擇防雷器時，在資金允許的前提下，要求盡可能使用高能量的防雷器，分別對系統(tǒng)的電源、現(xiàn)場總線和420mA模擬量進(jìn)行保護(hù)。1、自控配電系統(tǒng)的防雷當(dāng)雷擊輸電線或雷閃放電在輸電線附近時，都將在輸電線路上形成雷電沖擊波

6、，其能量主要集中在工頻至幾百赫的低端，容易與工頻回路耦合。雷電沖擊波從配電線路進(jìn)入自控設(shè)備的電源模塊以及從配電線路感應(yīng)到同一電纜溝內(nèi)的自控網(wǎng)絡(luò)線上進(jìn)入自控設(shè)備的通訊模塊的幾率比從天饋和信號線路進(jìn)入的要高得多。因此配電線路的防雷是自控系統(tǒng)防雷的重要部份。水廠的配電系統(tǒng)在高、低壓進(jìn)線都已安裝有閥型避雷器、氧化鋅避雷器等避雷裝置，但自控設(shè)備的電源機(jī)盤仍會遭受雷擊而損壞。這是因為這些措施的保護(hù)對象是電氣設(shè)備，而自控設(shè)備耐過壓能力低，同時，這些避雷器啟動電壓高而且有些有較大的分散電容，與設(shè)備負(fù)載之間成為分流的關(guān)系，從而加在自控設(shè)備上的殘壓高，至少高于避雷裝置的啟動電壓，一般為峰峰值2-2.5倍(單相殘壓

7、不低于800V)，極易造成自控設(shè)備損壞。同時大型設(shè)備啟停產(chǎn)生的操作過電壓也是危害自控系統(tǒng)的重要原因之一。由上述，用單一的器件或單級保護(hù)很難滿足要求自控設(shè)備對電源的要求，所以對電源防雷應(yīng)采取多級保護(hù)措施。具體級數(shù)根據(jù)各自實際情況而定(原有的高壓避雷器保留)。第一級在變壓器二次側(cè)，主要泄放外線等產(chǎn)生的過電壓，其雷通量大，啟動電壓高(920-1800V)。B級 電源一級防雷粗保護(hù)：機(jī)房所在建筑的總配電室處作電源一級保護(hù)。配電柜的機(jī)房電源斷路器輸入端處并聯(lián)接入一套型號為TPS B50-pro 4P防雷器吸收高能雷電流；把雷電流減小到無害值；以實現(xiàn)電源一級防雷粗保護(hù)。一套TPS B50-pro 4P防雷

8、器由四個TPS B50-pro模塊組成（其泄放閃電脈沖電流在10350下可達(dá)50KA），四個模塊分別并接在總電源交流配電屏輸入端的三根相線及零線與地線之間，防雷器前端串接小型斷路器。第二級在各控制站PLC專用隔離變壓器前，主要泄放第一級殘壓、配電線路上感應(yīng)出的過電壓和其它用電設(shè)備的操作過電壓、其電流通量居中，啟動電壓居中(470-1800V)。隔離變壓器的安裝非常重要，它能有效抑制各種電磁干擾，對雷電波同樣有效。C級 電源二級防雷防過壓細(xì)保護(hù)：機(jī)房設(shè)備用電均由UPS供給，因此在機(jī)房UPS的電源分配箱輸入總開關(guān)處并聯(lián)接入一套型號為TPS C40 3P+N防雷器吸收低能雷電流和浪涌過電壓，以保護(hù)設(shè)

9、備的安全。一套TPS C40 3P+N防雷器由三個相線模塊與一個NPE模塊組成（其最大放電電流在820下可達(dá)40KA）四個模塊分別并接在電源分配電箱電源輸入端的相線及零線與地線之間，防雷器前端串接小型斷路器。如果B級和C級之間的距離較近（小于10米），可選擇型號為TPS B+C復(fù)合型電源電涌保護(hù)器，一套B+C防雷器由TPS B50-CTRL四個模塊于一套TPS C40/4防雷器組合而成。模塊并接在總電源配電箱電源輸入端的相線及零線與地線之間，防雷器前端串接小型斷路器。末級在PLC專用電源模板前，主要泄放前面的殘壓，完全可達(dá)到箝位輸出，其殘壓低，響應(yīng)時間快。D級 機(jī)房電源三級防雷防過壓精細(xì)保護(hù)：

10、在機(jī)房重要設(shè)備，如服務(wù)器，交換機(jī)，防火墻等前端加裝同為防雷插座TPS D10 JF7，吸收低能雷電流和浪涌過電壓，作為防雷三級保護(hù)。有條件盡可能以從總配電柜開始將自控系統(tǒng)的電源線單獨(dú)布排。各級避雷器應(yīng)盡量靠近被保護(hù)設(shè)備以免雷電侵入波發(fā)生正的全反射。各級啟動電壓可據(jù)系統(tǒng)而定，但末級應(yīng)盡量達(dá)到箝位輸出。自來水司水廠采用電子避雷器后其自控系統(tǒng)一般不會在再遭受過電壓損壞。2、通訊線、天饋線避雷自控系統(tǒng)通訊線一般都采用特制屏蔽雙絞線(如DH+、MB+)，并且一般在安裝時都是穿管直埋(或電纜溝)鋪設(shè)，所以雷電在此處的感應(yīng)電壓不高(1KV-2KV)。但由于其直接進(jìn)入PLC或計算機(jī)通訊口這一薄弱環(huán)節(jié)(正常電壓

11、一般為正負(fù)5V、12V、24V、48V等)，故損害也很大。計算機(jī)數(shù)據(jù)交換或通訊頻率是從直流到幾十兆赫茲(據(jù)系統(tǒng)而定)，在選用避雷器件時一般都不采用氧化物避雷器，因為它的分布電容大、對高頻損耗大，除非對之進(jìn)行特殊處理。通常避雷器原理，其中箝位二極管殘壓很低，若額定電壓為24V，則殘壓在于24-30V之間。選用此類避雷器時應(yīng)以通訊電平和頻率或速率來確定，對于比較高頻的訊號便需要特殊設(shè)計的防雷器以確保其阻抗與該系統(tǒng)對應(yīng)，否則會有信號反射的現(xiàn)象。避雷器應(yīng)靠近通訊接口處安裝(減小反射損耗)。網(wǎng)絡(luò)通訊線路避雷的最好方法當(dāng)然是采用光纖網(wǎng)絡(luò)。單路通訊線防雷器采用型號TTS-VF系列電涌保護(hù)器或者TTS-DB系

12、列串口通訊系統(tǒng)電涌保護(hù)器?？刂菩盘杻x表信號采用TMS-P或者TMS-M系列測控專線電涌保護(hù)器。光纖不需要安裝防雷器，只需要在光纜的金屬加強(qiáng)筋做好接地即可。水廠與上級部門及水廠之間的無線電通訊一般距離近，功率低，其連接線都采用同軸電纜。所以對天饋的防雷主要是選用同軸電纜避雷器。我們知道，雷電波能量主要集中在工頻和幾百赫的低端，與有用通訊信號頻段相距很遠(yuǎn)。把這兩種信號分開的有效手段就是采用高通濾波器，在選用這類產(chǎn)品時，應(yīng)據(jù)通訊頻率和傳輸功率而定(天線應(yīng)置于構(gòu)筑物避雷網(wǎng)45°角內(nèi)，否則須有相應(yīng)接地措施)。目前國內(nèi)市場上的同軸電纜避雷器就是利用這一原理。這里可采用同為TCS-G系列同軸天饋系

13、統(tǒng)防雷器。3、控制站構(gòu)筑物的防雷總控站是控制和信息中心，集中了很多位重值高的計算機(jī)設(shè)備、通訊設(shè)備、儀器儀表，大多數(shù)還有電臺和天饋線，是全廠生產(chǎn)監(jiān)控、調(diào)度中心，在裝修中大量采用了鋁、鐵等金屬材料，所以在防雷上的要求就更高一些，其目的是要形成均壓等電位屏蔽措施?？刂普舅跇?gòu)筑物應(yīng)安裝避雷帶、避雷網(wǎng)，只安裝避雷針效果不好，因為水廠構(gòu)筑物高度雖低，但地勢空曠，臨近水源，所以極易遭受各方向的各種形式的雷擊?？刂普舅跇?gòu)筑物的接地電阻須小于10歐。有天饋線或通訊鐵塔的應(yīng)安裝避雷針，并置于構(gòu)筑物避雷網(wǎng)45°角內(nèi)，避雷針以及通訊鐵塔的接地除用建筑物內(nèi)鋼筋結(jié)構(gòu)接地以外，還應(yīng)單獨(dú)鋪設(shè)引下線引至構(gòu)筑物接地

14、網(wǎng)。如只采用構(gòu)筑物鋼筋結(jié)構(gòu)接地，因為在構(gòu)筑物修建時其鋼筋焊接質(zhì)量不一定能得到保證，雷擊時其均壓要求不能保證而易在構(gòu)筑物內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)磁場。構(gòu)筑物外墻上的所有金屬門窗應(yīng)接入構(gòu)筑物的接地網(wǎng)。前面已述，雷電的危害途徑主要通過感應(yīng)而進(jìn)入自控系統(tǒng)，所以避雷針、帶、網(wǎng)的引下線應(yīng)盡量多設(shè)幾條，使雷電電流有更多的分流途徑，以減小每條線上的泄放電流量從而降低感應(yīng)能量。室內(nèi)計算機(jī)、自控設(shè)備要盡量置于遠(yuǎn)離避雷網(wǎng)導(dǎo)地金屬體。4、合理接地防雷的最終措施是"泄放"，因而對"接地"切不可輕心。一般廠內(nèi)的接地主要有構(gòu)筑物接地、配電系統(tǒng)及強(qiáng)電設(shè)備接地、計算機(jī)自控系統(tǒng)接地。如這三種接地配置不合理

15、，極易在雷擊時通過接地網(wǎng)對自控系統(tǒng)造成反擊。計算機(jī)自控系統(tǒng)是一個特殊用電系統(tǒng)，它包括以下幾種接地：系統(tǒng)工作地(小于4歐)，直流工作地(信號屏蔽地、邏輯地等小2歐)，安全保護(hù)地(小于4歐)。在安裝時難以分開(特別是對PLC系統(tǒng))，對這一系統(tǒng)采用聯(lián)合接地較好。接地電阻取最小值，至少小于2歐。目前水廠的三大接地網(wǎng)一般是分開設(shè)置的。雖然也有采用部分聯(lián)合接地的，但我們認(rèn)為，在水廠還是分開設(shè)置較好，原因有以下幾點：l、水廠構(gòu)筑物大多數(shù)在修建時未考慮計算機(jī)等弱電設(shè)備，且其接閃地和設(shè)備地本身已分開設(shè)置。2、一個水廠內(nèi)，為普通用電設(shè)備供電的高、低壓配電系統(tǒng)中，都采用一個接地系統(tǒng)，由于用電的復(fù)雜性，在運(yùn)行和雷擊時

16、常常使零線(地線)電流不為零(Id)。如采用聯(lián)合接地時(Rd)，必然使計算機(jī)接地電位抬高到Id Rd，從而可能造成反擊。3、新增計算機(jī)、PLC系統(tǒng)時，若要與構(gòu)筑物接地、配電系統(tǒng)及強(qiáng)電設(shè)備接地聯(lián)合接地，其接地電阻小于05歐較安全，這樣一方面造價太高，在某些地質(zhì)條件下很能難做到，另一方面對舊地網(wǎng)(特別是老水廠)處理時比較困難。地網(wǎng)分開設(shè)置時應(yīng)注意避免地網(wǎng)之間的閃絡(luò)。雷擊時，會在地網(wǎng)及附近導(dǎo)體中產(chǎn)生很高電位，地網(wǎng)分開，則可能造成接閃接地體向其它接地體閃絡(luò)。所以，地網(wǎng)之間的距離SK當(dāng)涉及自控系統(tǒng)接地時應(yīng)大于10M。在接地線引入室內(nèi)時，若與其它地網(wǎng)距離太近，可局部采取既絕緣又屏蔽的措施。5、避雷器的選型及安裝布線要發(fā)揮良好避雷功能，防雷器應(yīng)不會對保護(hù)的設(shè)備或線路造成任何干擾和中斷現(xiàn)象；具有低"通過"電壓(將瞬間過電壓降到設(shè)備能承受的范圍)；能承受高電流(二次感應(yīng)電流一般不會超過10000A)；反復(fù)使用壽命長且具有狀態(tài)顯示。電源避雷須提供相對地、中對地及相對中的全面保護(hù)作用。我們知道導(dǎo)線的電壓降主要取決于其電感值，而電感值受到長度和連接方法影響，我們采用以下方法來減少并聯(lián)防雷器的感性電壓：1. 量減少連接線長度(小于25CM