污水处理厂自动控制系统防雷分析

2012-09-06魏强

山西电子技术 2012年5期

魏强

（中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北邯郸 056027）

雷电是一种大气的放电现象，由雷云与地面产生的电场引起。雷电按其放电方式可分为直击雷和感应雷［1］。雷击破坏主要是由于直击雷和感应雷以及伴随出现的极高电压和极大电流所致。这其中，感应雷生成的过电压通过传导体传送至设备，造成屋内电线、金属管道和大型金属设备放电，间接的摧毁弱电设备。感应雷对弱电设备，特别是通讯设备和以电子计算机网络系统为核心的自控系统的危害最大。据已有的统计资料显示，自控系统设备遭雷击损坏80%以上是由感应雷引起的，感应雷被国际电工委员会称为“电子时代的最大公害”。雷击防护不当轻则会导致电子设备信号的传输受到干扰而失真;PLC程序错乱、内存数据丢失而产生误动作;严重时将损坏电源适配器、通讯模块、I/O模块、PLC处理器等相关设备，致使系统瘫痪。更严重时会出现火灾。而污水处理厂一般建设在易受雷击的平原开阔地带，平均雷暴日多在40天以上。因此，防雷设计在污水处理厂工程应用中显得愈发重要。

1 雷电波的入侵途径

在《建筑物电子信息系统的防雷技术规范》GB50343-2004 1.0.6中明确规定:电子信息系统应采用防直击雷和防雷电电磁脉冲等措施进行综合防护［2］。防雷电电磁脉冲就是防感应雷，感应雷对自控系统的侵入途径主要有以下几种［3］:

（1）静电感应:当金属物体或架空线处于雷云和大地所形成的电场中时，导体上就会感应出与雷云相反的电荷。当雷云对线路附件的地面发生主放电时，先导通道中的电荷自下而上迅速中和，导体上的束缚电荷成为自由电荷，向线路两侧传播形成感应雷电压冲击波，这个感应电压的幅值与雷电流的幅值成正比，与雷击点到导线的距离成反比。

（2）电磁感应:当现场工艺装置接闪器发生接闪时，巨大的能量会在瞬间流过防雷引下线对地泄放，在防雷引下线的周围会感应出强大的瞬变的电磁场，处在这个电磁场中的导体就会感应出较大的电动势。如图1所示。如果在附近存在闭合的回路，回路上就会感应出感应电流，当自控系统的信号线近距离经过，就会在信号线回路中感应出强电流浪涌，可能击穿控制模块和变送器，损坏设备。

图1 雷击电磁感应示意图

（3）雷电反击:雷电反击是指雷电接闪后，雷电流在泄放过程中在导体上产生的高电压或电位差对其它物体产生的电击现象。一般分为“击穿反击”和“传导反击”，其中“传导反击”中的“地电位反击”对自控系统的影响最大。所谓“传导反击”是指雷电被接闪后，雷电流在泄放过程中，在流经的接地体、引下线以及与之相连的导体上形成的电位差，此电位差通过线缆、连接导体（包括SPD）传导耦合到仪表、电气设备的线路接口上而击坏仪表和电气设备。

（4）浪涌侵入:在远处雷击情况下，行波电涌沿信号线路传播，产生的感应或传导的浪涌电压和浪涌电流影响可达2 km外的电子设备。分雷电流在信号电缆中流动时，将产生纵向与横向电压。芯线和电缆的金属屏蔽层之间产生的纵向电压，施加在所连接的电子设备的输入端与接地外壳之间的绝缘层上。芯线之间产生的横向电压，施加在所连接电子设备的输入端。浪涌电流在信号线上主要通过电阻性耦合、电感性耦合、电容性耦合损伤线路上和所连接的电子设备，目前的电子设备通常只能耐受数千伏的击穿电压，远远低于浪涌产生的数万伏或者数十万伏过电压的威胁。

除了上述的几种主要途径以外还有雷击电磁辐射干扰等侵害途径。

2 防雷设计

防雷设计是一个系统工程，消除雷击对系统的影响不能只靠几个防雷设备和方法就能解决。在设计中要针对各个系统可能的侵入路径，根据实际情况，按照整体防御、系统布置、多级防护的原则设计防雷。通过归纳总结多个工程的实际经验，自控系统的防雷从以下几个方面考虑。

2.1 隔离

隔离就是将雷电所产生的过电压和被保护物隔离开。实现两个目的，一是限制内部的辐射电磁能越出某一区域;二是防止外来的感应电磁进入某一区域。隔离主要运用在对中控室、通信机房等弱电设备较多、自身防护较弱的位置。隔离根据的是“法拉地笼”原理，即当接闪器、引下线和接地装置组成一个笼式的形状的时候，能有效地防止雷击事故的产生，从而保护笼内的人员或财产不受到雷击［4］。就接地系统而言，是由水平接地体、垂直接地体和包裹着水平接地体和垂直接地体的土壤共同组成。所以，在建筑物设计时应尽量选择钢筋作为建筑物的主要建材，使建筑物形成一个等电位的网状结构，使雷击电流实现有效的分流，从而实现隔离。

2.2 疏导

疏导就是将雷云中的电荷通过引线疏导至大地，避免直击雷或感应雷所产生的电流流经自控设备。疏导的主要方式是接地。对于污水处理厂防雷系统来说，接地电阻越小，雷击电荷疏导将越快，过电压越小，所以接地对自控系统防雷系统来说至关重要。而接地又分为防雷接地、信号线接地和屏蔽接地。

2.2.1 防雷接地

防雷接地的装置包括接地网和接地线。接地装置的优劣与接地电阻和接地方式有关。为便于与各种入户金属管道相连，降低跨步电压，建筑物防雷接地一般采用周圈式接地。污水处理厂构建物多数不高，防雷接地应尽量利用自然接地体作为接地装置，只要基础采用硅酸盐水泥和周围土壤的含水量不低于4%，基础外表面无防腐层或有沥青质的防腐层时，可利用基础内钢筋作接地装置，否则应加设人工接地装置。

在接地装置参数中，对于接地线，主要考虑它的电感，而忽略它的电阻;对于接地网，则主要考虑它的接地电阻，而忽略它的电感。通常的单根钢筋接地引下线，其电感可按每米1微亨（1 μH/m）计算。而接地网的接地电阻国标中已有要求，如果实测接地电阻比国标的要求小，计算时按国标的要求进行数值计算;如果实测接地电阻比国标的要求大，就按实测的接地电阻进行计算。

对于独立避雷针的单根引下线，如果我们忽略电阻而假设其电感为1 μH/m，若按三类防雷考虑，雷电流的波头时间为10 μs，雷电流幅值 100 kA，根据di/dt=10 kA/μs，得到沿引下线的电压降为10 kV/m。对于一类防雷要求，雷电流幅值200 kA，di/dt=20 kA/μs，则沿引下线的电压降为20 kV/m。再假设一个接地系统，接地电阻为412 Ω，100 kA的雷电流在它上面将产生400 kV的电压降，虽然这个电压降是以大地远处的零电位为参考点，但也是一个十分巨大的电压降，需要尽可能地降低引下线的电感和接地装置的接地电阻和电感。采用多根引下线并联，如在中控室的梁柱内的钢筋多根并联，就能大大降低它的电感参数，进而达到降低雷电冲击电压的目的。

2.2.2 信号线接地

污水处理厂露天设备、仪表多，其信号电缆在发生接闪前由于电场作用，会被感应出大量异种电荷。当接闪后，信号线上的电荷会向控制系统模块或者现场变送器侧泄放，由于电量大，形成的电位差会击坏模块或变送器。而且电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。这种现象称“趋肤效应”。由于电荷的“趋肤效应”，当信号线缆的屏蔽层做好接地（单端接地，控制系统侧）后，感应电荷能迅速被导走，消除静电感应，起到了保护作用。所以在信号电缆敷设时要求外层屏蔽单端接地。

2.2.3 屏蔽接地

进入隔离屏蔽范围的金属导线，为了避免线路上发生耦合现象，以及线路之间产生互感电流，均需有屏蔽层或采用穿金属管屏蔽，这样才能使隔离屏蔽形成一个整体的“笼”。布线尽可能使用金属屏蔽线槽架设，并将金属线槽两端做接地处理，金属线槽接头处需做跨接处理。接地装置应满足如下接地要求:交流工作接地，接地电阻不大于4 Ω;安全保护接地，接地电阻不大于4 Ω;直流工作接地，接地电阻应按控制系统具体要求确定。如交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地等四种接地共用一组接地装置时，其接地电阻按其中最小值确定;若防雷接地单独设置接地装置时，其余三种接地共用一组接地装置，其接地电阻不大于其中最小值，并应采用暂态共地技术防止地电位的反击。

2.3 电源保护

日处理量在5万吨或以下的污水处理厂多数设计采用独立高压架空输电线路。由于传输距离远，野外跨度大，当雷击输电线或闪电放电在输电线附近时，很容易出现输配电线路的电源浪涌。其能量主要集中在工频至几kHz，容易与污水厂电源工频回路耦合。电源浪涌对于低压供电可能造成电压偏差、谐波、电压晃动和闪变、电压上扬或下降、三相电压不平衡等电能质量问题，这些问题对于电机、泵等额定工况电压允许偏差范围较宽泛的设备的影响不大，但对于工作电压多在24 V或更低的控制系统而言，以上电能质量问题的影响就是接近致命性的损伤了。因此，配电线路的防雷是自控系统防雷的重要部分。

一般中小型污水处理厂的配电线路在高、低压进线处都已安装有阀型避雷器、ZnO避雷器等防雷装置，但自控系统的电源仍会遭受雷击而损坏。这是因为这些装置的保护对象是电气设备，而不是自控设备。同时，这些避雷器起动电压较高，会产生较大的分散电容，与设备负载之间成为分流的关系，从而加在自控设备上的残压高（至少高于避雷装置的起动电压，一般为峰值的2～2.5倍;单相残压≥800 V），极易造成自控设备损坏。同时，大型设备起停产生的操作过电压也是危害自控系统的重要原因之一。所以，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，因此对电源防雷应采取多级保护措施，具体级数根据厂内设计情况而定。

图2 某污水处理厂自控系统配电防雷图

图2所示的是某污水处理厂的自控系统配电防雷的示意图。第一级防雷器15 kA（10/350 μs）或限流型防雷器为开关型，安装在变压器二次侧、A/B进线柜断路器的三根相线和中性线上，分别对地并联，主要泄放外线等产生的较强过电压。第二级防雷器40 kA（8/20 μs）安装在PLC低压配电柜出线侧相线和中性线上，为限压型，分别对地并联，主要泄放第一级残压，分流配电线路上传输过来的雷电感应或耦合过电压和其他用电设备的操作过电压，有效抑制各种电磁干扰。第三级防雷器20 kA（8/20 μs）安装在进入PLC专用电源模块或其他自控设备元器件之前的相线和中性线上，为限压型，分别对地并联，可以泄放前面尚存的残压，进一步保护设备免受过电压的干扰。最终，通过对雷击过电流的逐层泄放和钳位保护，使得雷电流引起的末端瞬态过电压被控制在较小范围内，极大地减少了对设备的破坏。