水厂自动化系统防雷方案

一、系统介绍：

随着计算机技(jì )术(Computer)、控制技(jì )术(Control)、通讯技(jì )术(Communication)、显示技(jì )术(CRT)的发展和广泛应用(yòng)，目前水厂的自动化控制普遍采用(yòng)由工(gōng)业计算机IPC或可(kě)编程控器PLC组成的集数据采集、过程控制和信息传送于一體(tǐ)的监控网络。由于这些设备大量采用(yòng)高度集成化的CMOS電(diàn)路和CPU单元，其对瞬间过電(diàn)压的承受能(néng)力大幅降低，成為(wèi)水厂受雷電(diàn)损害的主要设备。所以对自动化系统采取有(yǒu)效的保护措施是非常必要的，明析瞬间过電(diàn)压产(chǎn)生途径和危害是正确采取防护措施的前提。

二、瞬间过電(diàn)压的产(chǎn)生

瞬间过電(diàn)压是指在微妙至毫秒(miǎo)之内所产(chǎn)生的的尖峰冲击電(diàn)压而非一般電(diàn)源上的所谓过压(一般電(diàn)源过压可(kě)能(néng)维持数秒(miǎo)及以上)，瞬间过電(diàn)压有(yǒu)两种产(chǎn)生途径：雷击和電(diàn)气开关动作(zuò)。

1、一般构筑物(wù)避雷网只能(néng)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電(diàn)子设备：①直击到電(diàn)源输入線(xiàn)，经電(diàn)源線(xiàn)进入而损害设备，因電(diàn)力線(xiàn)上安(ān)装(zhuāng)的各种保护间隙和電(diàn)力電(diàn)涌保护器，只可(kě)把線(xiàn)对地的電(diàn)压限制到小(xiǎo)于6000伏(IEEE C62.41)，而線(xiàn)对線(xiàn)无法控制。②以感应方式(電(diàn)阻性、電(diàn)感性、電(diàn)容性)偶合到電(diàn)源、信号線(xiàn)上，最终损害设备。

2、当電(diàn)流在导體(tǐ)上流动时，会产(chǎn)生磁场存储能(néng)量并与電(diàn)流大小(xiǎo)和导線(xiàn)長(cháng)度成正比，当電(diàn)器设备(大负荷)开关时会便产(chǎn)生瞬间过電(diàn)压而损害设备。

三、瞬间过電(diàn)压对電(diàn)子设备的危害

瞬间过電(diàn)压使電(diàn)子设备讯号或数据的传输与存储都受到干扰甚至丢失，至使電(diàn)子设备产(chǎn)生误动作(zuò)或暂时瘫痪；重复影响而降低電(diàn)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(chǎn)和工(gōng)作(zuò)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(wù)之中(zhōng)，网络線(xiàn)、電(diàn)源線(xiàn)铺设于電(diàn)缆沟中(zhōng)，因而遭受直接雷击的可(kě)能(néng)性不大，其防护的主要对象是雷電(diàn)波侵入(感应)。按國(guó)外资料统计雷電(diàn)波侵入(感应)占计算机类设备雷击事故原因的85%，按成都市自来水总公(gōng)司资料统计占水厂自动化系统雷击事故原因的100％。雷電(diàn)波侵入(感应偶合)对自动化系统的破坏，主要是通过侵入電(diàn)源線(xiàn)、天馈線(xiàn)、通讯線(xiàn)和信号線(xiàn)而分(fēn)别损坏電(diàn)源模板、通讯模板、I／O模板；也可(kě)能(néng)因感应从信号采集線(xiàn)和接地网引入有(yǒu)害的信号電(diàn)流和接地電(diàn)流，损坏自动化系统或影响其运行。

根据瞬间过電(diàn)压产(chǎn)生、危害途径和自控系统大量采用(yòng)高度集成化的CMOS電(diàn)路和CPU单元及集控制、通讯、监测為(wèi)一體(tǐ)且分(fēn)散面广的特点，我们认為(wèi)对自控系统要尽可(kě)能(néng)降低雷電(diàn)带来的损失，就必须采取系统的、综合的防雷措施。特别应从配電(diàn)系统防雷、自控系统网络線(xiàn)路防雷、构筑物(wù)防雷和合理(lǐ)接地等四方面着手。

四、设计依据

1. GB 50057－2010《建筑物(wù)防雷设计规范》

2. GB50343-2012《建筑物(wù)電(diàn)子信息系统防雷技(jì )术规范》 

3. GB50174-2008 《電(diàn)子信息系统设计规范》

4. GB16895.22-2004  《建筑物(wù)電(diàn)气装(zhuāng)置 第5-53部分(fēn)：電(diàn)气设备的选择和安(ān)装(zhuāng)，第534节：过電(diàn)压保护電(diàn)器》

5. GB 18802.1-2002《低压配電(diàn)系统的電(diàn)涌保护器 第1部分(fēn)：—性能(néng)要求和试验方法》

6. GB/T 18802.21-2004《低压電(diàn)涌保护器第21部分(fēn)：電(diàn)信和信号网络的電(diàn)涌保护器（SPD）－性能(néng)要求和试验方法》 

五、水厂自动化系统具(jù)體(tǐ)设计方案

整个水厂的自动化系统，主要由上位机、PLC和各类监控、分(fēn)析仪表组成：

由于中(zhōng)控室和PLC站在整个系统中(zhōng)十分(fēn)重要，所以我在选择電(diàn)涌保护器时，在资金允许的前提下，要求尽可(kě)能(néng)使用(yòng)高能(néng)量的電(diàn)涌保护器，分(fēn)别对系统的電(diàn)源、现场总線(xiàn)和4～20mA模拟量进行保护。

1、自控配電(diàn)系统的防雷

当雷击输電(diàn)線(xiàn)或雷闪放電(diàn)在输電(diàn)線(xiàn)附近时，都将在输電(diàn)線(xiàn)路上形成雷電(diàn)冲击波，其能(néng)量主要集中(zhōng)在工(gōng)频至几百赫的低端，容易与工(gōng)频回路耦合。雷電(diàn)冲击波从配電(diàn)線(xiàn)路进入自控设备的電(diàn)源模块以及从配電(diàn)線(xiàn)路感应到同一電(diàn)缆沟内的自控网络線(xiàn)上进入自控设备的通讯模块的几率比从天馈和信号線(xiàn)路进入的要高得多(duō)。因此配電(diàn)線(xiàn)路的防雷是自控系统防雷的重要部份。水厂的配電(diàn)系统在高、低压进線(xiàn)都已安(ān)装(zhuāng)有(yǒu)阀型電(diàn)涌保护器、氧化锌電(diàn)涌保护器等避雷装(zhuāng)置，但自控设备的電(diàn)源机盘仍会遭受雷击而损坏。这是因為(wèi)这些措施的保护对象是電(diàn)气设备，而自控设备耐过压能(néng)力低，同时，这些電(diàn)涌保护器启动電(diàn)压高而且有(yǒu)些有(yǒu)较大的分(fēn)散電(diàn)容，与设备负载之间成為(wèi)分(fēn)流的关系，从而加在自控设备上的残压高，至少高于避雷装(zhuāng)置的启动電(diàn)压，一般為(wèi)峰峰值2-2.5倍(单相残压不低于800V)，极易造成自控设备损坏。同时大型设备启停产(chǎn)生的操作(zuò)过電(diàn)压也是危害自控系统的重要原因之一。

由上述，用(yòng)单一的器件或单级保护很(hěn)难满足要求自控设备对電(diàn)源的要求，所以对電(diàn)源防雷应采取多(duō)级保护措施。具(jù)體(tǐ)级数根据各自实际情况而定(原有(yǒu)的高压電(diàn)涌保护器保留)。

第一级在变压器二次侧，主要泄放外線(xiàn)等产(chǎn)生的过電(diàn)压，其雷通量大，启动電(diàn)压高(920-1800V)。B级  電(diàn)源一级防雷粗保护：机房所在建筑的总配電(diàn)室处作(zuò)電(diàn)源一级保护。配電(diàn)柜的机房電(diàn)源断路器输入端处并联接入一套型号為(wèi)TPS B50-pro 4P電(diàn)涌保护器吸收高能(néng)雷電(diàn)流；把雷電(diàn)流减小(xiǎo)到无害值；以实现電(diàn)源一级防雷粗保护。一套TPS B50-pro 4P電(diàn)涌保护器由四个TPS B50-pro模块组成（其泄放闪電(diàn)脉冲電(diàn)流在10／350下可(kě)达50KA），四个模块分(fēn)别并接在总電(diàn)源交流配電(diàn)屏输入端的三根相線(xiàn)及零線(xiàn)与地線(xiàn)之间，電(diàn)涌保护器前端串接小(xiǎo)型断路器。

第二级在各控制站PLC专用(yòng)隔离变压器前，主要泄放第一级残压、配電(diàn)線(xiàn)路上感应出的过電(diàn)压和其它用(yòng)電(diàn)设备的操作(zuò)过電(diàn)压、其電(diàn)流通量居中(zhōng)，启动電(diàn)压居中(zhōng)(470-1800V)。隔离变压器的安(ān)装(zhuāng)非常重要，它能(néng)有(yǒu)效抑制各种電(diàn)磁干扰，对雷電(diàn)波同样有(yǒu)效。C级  電(diàn)源二级防雷防过压细保护：机房设备用(yòng)電(diàn)均由UPS供给，因此在机房UPS的電(diàn)源分(fēn)配箱输入总开关处并联接入一套型号為(wèi)TPS C40 3P+N電(diàn)涌保护器吸收低能(néng)雷電(diàn)流和浪涌过電(diàn)压，以保护设备的安(ān)全。一套TPS C40 3P+N電(diàn)涌保护器由三个相線(xiàn)模块与一个NPE模块组成（其最大放電(diàn)電(diàn)流在8／20下可(kě)达40KA）四个模块分(fēn)别并接在電(diàn)源分(fēn)配電(diàn)箱電(diàn)源输入端的相線(xiàn)及零線(xiàn)与地線(xiàn)之间，電(diàn)涌保护器前端串接小(xiǎo)型断路器。

如果B级和C级之间的距离较近（小(xiǎo)于10米），可(kě)选择型号為(wèi)TPS B+C复合型電(diàn)源電(diàn)涌保护器，一套B+C電(diàn)涌保护器由TPS B50-CTRL四个模块和一套TPS C40/4電(diàn)涌保护器组合而成。模块并接在总電(diàn)源配電(diàn)箱電(diàn)源输入端的相線(xiàn)及零線(xiàn)与地線(xiàn)之间，電(diàn)涌保护器前端串接小(xiǎo)型断路器。

末级在PLC专用(yòng)電(diàn)源模板前，主要泄放前面的残压，完全可(kě)达到箝位输出，其残压低，响应时间快。D级  机房電(diàn)源三级防雷防过压精(jīng)细保护：在机房重要设备，如服務(wù)器，交换机，防火墙等前端加装(zhuāng)同為(wèi)防雷插座TPS D10 JF7，吸收低能(néng)雷電(diàn)流和浪涌过電(diàn)压，作(zuò)為(wèi)防雷三级保护。

有(yǒu)条件尽可(kě)能(néng)以从总配電(diàn)柜开始将自控系统的電(diàn)源線(xiàn)单独布排。各级電(diàn)涌保护器应尽量靠近被保护设备以免雷電(diàn)侵入波发生正的全反射。各级启动電(diàn)压可(kě)据系统而定，但末级应尽量达到箝位输出。自来水司水厂采用(yòng)電(diàn)子電(diàn)涌保护器后其自控系统一般不会在再遭受过電(diàn)压损坏。

2、通讯線(xiàn)、天馈線(xiàn)避雷

自控系统通讯線(xiàn)一般都采用(yòng)特制屏蔽双绞線(xiàn)(如DH+、MB+)，并且一般在安(ān)装(zhuāng)时都是穿管直埋(或電(diàn)缆沟)铺设，所以雷電(diàn)在此处的感应電(diàn)压不高(1KV-2KV)。但由于其直接进入PLC或计算机通讯口这一薄弱环节(正常電(diàn)压一般為(wèi)正负5V、12V、24V、48V等)，故损害也很(hěn)大。计算机数据交换或通讯频率是从直流到几十兆赫兹(据系统而定)，在选用(yòng)電(diàn)涌保护器件时一般都不采用(yòng)氧化物(wù)電(diàn)涌保护器，因為(wèi)它的分(fēn)布電(diàn)容大、对高频损耗大，除非对之进行特殊处理(lǐ)。通常電(diàn)涌保护器原理(lǐ)，其中(zhōng)箝位二极管残压很(hěn)低，若额定電(diàn)压為(wèi)24V，则残压在于24-30V之间。选用(yòng)此类電(diàn)涌保护器时应以通讯電(diàn)平和频率或速率来确定，对于比较高频的讯号便需要特殊设计的電(diàn)涌保护器以确保其阻抗与该系统对应，否则会有(yǒu)信号反射的现象。電(diàn)涌保护器应靠近通讯接口处安(ān)装(zhuāng)(减小(xiǎo)反射损耗)。网络通讯線(xiàn)路避雷的最好方法当然是采用(yòng)光纤网络。

单路通讯線(xiàn)電(diàn)涌保护器采用(yòng)型号TTS-VF系列電(diàn)涌保护器或者TTS-DB系列串口通讯系统電(diàn)涌保护器。控制信号仪表信号采用(yòng)TMS-P或者TMS-M系列测控線(xiàn)路電(diàn)涌保护器。光纤不需要安(ān)装(zhuāng)電(diàn)涌保护器，只需要在光缆的金属加强筋做好接地即可(kě)。

水厂与上级部门及水厂之间的无線(xiàn)電(diàn)通讯一般距离近，功率低，其连接線(xiàn)都采用(yòng)同轴電(diàn)缆。所以对天馈的防雷主要是选用(yòng)同轴電(diàn)缆電(diàn)涌保护器。我们知道，雷電(diàn)波能(néng)量主要集中(zhōng)在工(gōng)频和几百赫的低端，与有(yǒu)用(yòng)通讯信号频段相距很(hěn)遠(yuǎn)。把这两种信号分(fēn)开的有(yǒu)效手段就是采用(yòng)高通滤波器，在选用(yòng)这类产(chǎn)品时，应据通讯频率和传输功率而定(天線(xiàn)应置于构筑物(wù)避雷网45°角内，否则须有(yǒu)相应接地措施)。目前國(guó)内市场上的同轴電(diàn)缆電(diàn)涌保护器就是利用(yòng)这一原理(lǐ)。这里可(kě)采用(yòng)同為(wèi)TCS-G系列同轴天馈系统電(diàn)涌保护器。

3、控制站构筑物(wù)的防雷

总控站是控制和信息中(zhōng)心，集中(zhōng)了很(hěn)多(duō)位重值高的计算机设备、通讯设备、仪器仪表，大多(duō)数还有(yǒu)電(diàn)台和天馈線(xiàn)，是全厂生产(chǎn)监控、调度中(zhōng)心，在装(zhuāng)修中(zhōng)大量采用(yòng)了铝、铁等金属材料，所以在防雷上的要求就更高一些，其目的是要形成均压等電(diàn)位屏蔽措施。

控制站所在构筑物(wù)应安(ān)装(zhuāng)避雷带、避雷网，只安(ān)装(zhuāng)避雷针效果不好，因為(wèi)水厂构筑物(wù)高度虽低，但地势空旷，临近水源，所以极易遭受各方向的各种形式的雷击。控制站所在构筑物(wù)的接地電(diàn)阻须小(xiǎo)于10欧。有(yǒu)天馈線(xiàn)或通讯铁塔的应安(ān)装(zhuāng)避雷针，并置于构筑物(wù)避雷网45°角内，避雷针以及通讯铁塔的接地除用(yòng)建筑物(wù)内钢筋结构接地以外，还应单独铺设引下線(xiàn)引至构筑物(wù)接地网。如只采用(yòng)构筑物(wù)钢筋结构接地，因為(wèi)在构筑物(wù)修建时其钢筋焊接质(zhì)量不一定能(néng)得到保证，雷击时其均压要求不能(néng)保证而易在构筑物(wù)内出现强磁场。构筑物(wù)外墙上的所有(yǒu)金属门窗应接入构筑物(wù)的接地网。

前面已述，雷電(diàn)的危害途径主要通过感应而进入自控系统，所以避雷针、带、网的引下線(xiàn)应尽量多(duō)设几条，使雷電(diàn)電(diàn)流有(yǒu)更多(duō)的分(fēn)流途径，以减小(xiǎo)每条線(xiàn)上的泄放電(diàn)流量从而降低感应能(néng)量。室内计算机、自控设备要尽量置于遠(yuǎn)离避雷网导地金属體(tǐ)。

4、合理(lǐ)接地

防雷的最终措施是"泄放"，因而对"接地"切不可(kě)轻心。一般厂内的接地主要有(yǒu)构筑物(wù)接地、配電(diàn)系统及强電(diàn)设备接地、计算机自控系统接地。如这三种接地配置不合理(lǐ)，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用(yòng)電(diàn)系统，它包括以下几种接地：系统工(gōng)作(zuò)地(小(xiǎo)于4欧)，直流工(gōng)作(zuò)地(信号屏蔽地、逻辑地等小(xiǎo)2欧)，安(ān)全保护地(小(xiǎo)于4欧)。在安(ān)装(zhuāng)时难以分(fēn)开(特别是对PLC系统)，对这一系统采用(yòng)联合接地较好。接地電(diàn)阻取最小(xiǎo)值，至少小(xiǎo)于2欧。

目前水厂的三大接地网一般是分(fēn)开设置的。虽然也有(yǒu)采用(yòng)部分(fēn)联合接地的，但我们认為(wèi)，在水厂还是分(fēn)开设置较好，原因有(yǒu)以下几点：

1) 水厂构筑物(wù)大多(duō)数在修建时未考虑计算机等弱電(diàn)设备，且其接闪地和设备地本身已分(fēn)开设置。

2) 一个水厂内，為(wèi)普通用(yòng)電(diàn)设备供電(diàn)的高、低压配電(diàn)系统中(zhōng)，都采用(yòng)一个接地系统，由于用(yòng)電(diàn)的复杂性，在运行和雷击时常常使零線(xiàn)(地線(xiàn))電(diàn)流不為(wèi)零(Id)。如采用(yòng)联合接地时(Rd)，必然使计算机接地電(diàn)位抬高到Id Rd，从而可(kě)能(néng)造成反击。

3) 新(xīn)增计算机、PLC系统时，若要与构筑物(wù)接地、配電(diàn)系统及强電(diàn)设备接地联合接地，其接地電(diàn)阻小(xiǎo)于0．5欧较安(ān)全，这样一方面造价太高，在某些地质(zhì)条件下很(hěn)能(néng)难做到，另一方面对旧地网(特别是老水厂)处理(lǐ)时比较困难。

地网分(fēn)开设置时应注意避免地网之间的闪络。雷击时，会在地网及附近导體(tǐ)中(zhōng)产(chǎn)生很(hěn)高電(diàn)位，地网分(fēn)开，则可(kě)能(néng)造成接闪接地體(tǐ)向其它接地體(tǐ)闪络。所以，地网之间的距离当涉及自控系统接地时应大于20M。在接地線(xiàn)引入室内时，若与其它地网距离太近，可(kě)局部采取既绝缘又(yòu)屏蔽的措施。

5、電(diàn)涌保护器的选型及安(ān)装(zhuāng)布線(xiàn)

要发挥良好避雷功能(néng)，電(diàn)涌保护器应不会对保护的设备或線(xiàn)路造成任何干扰和中(zhōng)断现象；具(jù)有(yǒu)低"通过"電(diàn)压(将瞬间过電(diàn)压降到设备能(néng)承受的范围)；能(néng)承受高電(diàn)流(二次感应電(diàn)流一般不会超过10000A)；反复使用(yòng)寿命長(cháng)且具(jù)有(yǒu)状态显示。電(diàn)源避雷须提供相对地、中(zhōng)对地及相对中(zhōng)的全面保护作(zuò)用(yòng)。

我们知道导線(xiàn)的電(diàn)压降主要取决于其電(diàn)感值，而電(diàn)感值受到長(cháng)度和连接方法影响，我们采用(yòng)以下方法来减少并联電(diàn)涌保护器的感性電(diàn)压：

1) 量减少连接線(xiàn)長(cháng)度(小(xiǎo)于25CM)，减少線(xiàn)路回圈，并将每组连接線(xiàn)绑扎以使其磁场相互抵消。

2) 当连接線(xiàn)过長(cháng)(大于25CM)时，多(duō)加一组连接線(xiàn)并分(fēn)组绑扎，使電(diàn)感電(diàn)流平分(fēn)到两组上从而减低磁场强度。串联電(diàn)涌保护器保证输出線(xiàn)与输入線(xiàn)、接地線(xiàn)尽量遠(yuǎn)离，以免再次偶合感应。

总结：总之，由于计算机、PLC系统大量采用(yòng)大规模CMOS集成電(diàn)路和分(fēn)散控制用(yòng)的CPU单元，使其对瞬间过電(diàn)压承受能(néng)力大幅度减弱，同时控制系统各种線(xiàn)路伸入到工(gōng)厂的各种环境之中(zhōng)，采用(yòng)任何一种单一的電(diàn)涌保护器件都有(yǒu)难以保证其安(ān)全，必须采取综合防护的措施，对症下药将各类可(kě)能(néng)引起雷害的因素排除，才能(néng)将雷害减少至最低限。