排水泵站自控系統防雷措施淺談
市屬排水泵站大多位于城區邊緣，且毗鄰江河堤岸的開(kāi)闊地帶，地勢低洼，春夏兩季極易遭受雷電襲擊。隨著(zhù)計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)的發(fā)展和廣泛應用，泵站的自動(dòng)化控制也逐步采用由工業(yè)控制機IPC或可編程控器PLC組成的集數據采集、過(guò)程控制和信息傳送于一體的監控網(wǎng)絡(luò )。由于這些設備大量采用高度集成化的CMOS電路和CPU單元，其對瞬態(tài)過(guò)電壓的承受能力十分脆弱，成為泵站易受雷電損害的主要設備?？梢?jiàn)對自動(dòng)化系統采取有效的保護措施非常必要。
一、雷電的危害途徑
雷電的危害途徑有5種，一是直擊雷：雷電直接擊在建筑物、構架、樹(shù)木等物體上，由于熱電效應等混合力作用直接對物體造成傷害；二是雷云下的靜電感應：一般針對線(xiàn)路而言，在一定強度的雷云下在高壓架空線(xiàn)路上可以感應出300—400kV的過(guò)電壓、在低壓架空線(xiàn)路上可以感應出100kV的過(guò)電壓、在電信線(xiàn)路上也可感應出40—60kV的過(guò)電壓；三是雷電的電磁感應：雷電流經(jīng)引下線(xiàn)入地時(shí)，在引下線(xiàn)周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)、引下線(xiàn)周?chē)母鞣N金屬管線(xiàn)上經(jīng)感應產(chǎn)生瞬間過(guò)電壓；四是地電位反擊：直擊雷經(jīng)接閃器如避雷針、避雷網(wǎng)等而直放入地，導致地網(wǎng)地電位上升，高電壓經(jīng)設備接地線(xiàn)引入電子設備造成反擊；五是雷電波侵入：電源線(xiàn)和通信線(xiàn)遭受直擊雷或感應雷加載了過(guò)電壓及雷電流以感應的方式耦合到線(xiàn)路上，進(jìn)而入侵設備。
二、瞬態(tài)過(guò)電壓對自控設備的危害
通常，在泵站的設計建設中對于直擊雷的防護已經(jīng)有比較完善的措施。自動(dòng)化系統大部分置于泵房構筑物之中，網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)、電源線(xiàn)鋪設于電纜溝中，因而遭受直接雷擊的可能性不大。根據雷電電磁脈沖(LEMP)理論和實(shí)踐經(jīng)驗證明：
電子計算機及其它自動(dòng)化系統設備損壞的主要原因是雷電感應浪涌電壓造成的。雷電感應浪涌電壓是一種產(chǎn)生在微秒至毫秒之間的尖峰沖擊電壓，即瞬態(tài)過(guò)電壓。它可以通過(guò)電源線(xiàn)、天饋線(xiàn)、通訊線(xiàn)和信號線(xiàn)把感應浪涌電壓波引入設備內部，分別損壞電源模板、通訊模板、I/0模板，致使設備產(chǎn)生誤動(dòng)作、暫時(shí)癱瘓或立即燒毀元器件。如今年3月份我處黃浦污水處理站遭受雷電襲擊，瞬態(tài)過(guò)電壓致使PLC接口、UPS的保險、工控機的端口和電源以及電話(huà)線(xiàn)路均遭損壞。
三、排水泵站自控系統防雷措施
由此可見(jiàn)，現有的雷電防護體系已不能滿(mǎn)足當前自動(dòng)化系統的安全要求，應從單純的一維無(wú)源防護轉為針對防直擊雷、防靜電感應、防雷電電磁感應、防地電位反擊、防感應雷電波侵入以及操作瞬態(tài)過(guò)電壓影響等的有源與無(wú)源防護相結合的三維防護體系。我們應從泵站自動(dòng)化系統的整個(gè)配電系統、信號系統、天饋系統、微機網(wǎng)絡(luò )等幾個(gè)方面入手，采用接閃、分流、均壓、屏蔽與接地等手段，進(jìn)行全方位的防雷防過(guò)電壓保護。
(一)自控配電系統的防雷
當雷擊發(fā)生在輸電線(xiàn)路或在輸電線(xiàn)路附近時(shí)，都將在輸電線(xiàn)路上形成雷電沖擊波，雷電沖擊波容易與工頻回路耦合，從而進(jìn)入自控設備的電源模塊，因此，配電線(xiàn)路的防雷是自控系統防雷的重要部分。采用三級浪涌電壓保護器(也叫瞬態(tài)過(guò)電壓保護器SPD)是自控系統目前比較理想的防雷保護措施。
采用這種措施與其他防雷措施一樣，要特別注意將自控設備的電源用線(xiàn)與照明等其他用電線(xiàn)路嚴格分開(kāi)。三級浪涌電壓保護器的分布為：第一級在變壓器二次側、進(jìn)線(xiàn)柜斷路器后的三根相線(xiàn)和中性線(xiàn)上，分別對地并聯(lián)，主要泄放外線(xiàn)等產(chǎn)生的較強過(guò)電壓，其雷通量大，但是這些避雷器啟動(dòng)電壓高而且有較大的分散電容，與負載之間成為分流的關(guān)系，從而使加在下一級設備上的殘壓高，一般為避雷器啟動(dòng)電壓的2～2.5倍。第二級在PLC或UPS等專(zhuān)用配電母線(xiàn)處的三根相線(xiàn)和中性線(xiàn)上，分別對地并聯(lián)，主要泄放第一級殘壓，分流配電線(xiàn)路上傳輸過(guò)程中的感應或耦合過(guò)電壓和其它用電設備的操作過(guò)電壓，有效抑制各種電磁干擾。第三級在PLC、UPS或其它自控設備接線(xiàn)板熔斷器后的相線(xiàn)和中性線(xiàn)上，分別對地并聯(lián)，主要泄放前面的殘壓，進(jìn)一步保護設備不受過(guò)電壓的干擾。
(二)信號系統與天饋系統防雷
自控系統信號線(xiàn)一般都采用特制屏蔽雙絞線(xiàn)(如DH+、MB+)，一般穿管鋪設，雷電在此處感應電壓在lkV—2kV范圍內，但其直接進(jìn)入PLC或計算機通訊口(電壓在5V—48V之間)，可能會(huì )造成的較大的損害。計算機數據交換或通訊頻率是從直流到幾十兆赫茲(據系統而定)，在選用避雷器時(shí)要選用專(zhuān)用信號SPD。當通信電纜感應雷產(chǎn)生瞬態(tài)過(guò)電壓時(shí)，雷電流通過(guò)SPD支路泄放到大地，SPD的輸出限制在設備的允許電壓上。
泵站間的無(wú)線(xiàn)電通訊功率低，其連接線(xiàn)都采用同軸電纜。對天饋的防雷主要是選用天饋線(xiàn)路SPD，用來(lái)抑制從天線(xiàn)引入的雷電波，它采用波道分流技術(shù)，將雷電流和有用的信號分開(kāi)。當受到雷擊時(shí)快速有效的將感應雷電流通過(guò)雷電支路泄放到大地。
(三)屏蔽、等電位處理
泵房控制室內的電力電纜(線(xiàn))、通信電纜(線(xiàn))應該盡量采用屏蔽電纜。在控制室還可以沿地面上布紫銅排，形成閉環(huán)接地匯流母排，將配電柜(箱)金屬外殼、電源地、SPD接地、機柜外殼、門(mén)窗等電位接地就近接到匯流母排上并采用4—10平方毫米銅芯線(xiàn)作為等電位連接線(xiàn)。
(四)合理接地
防雷的首要原則是將雷電流直接接閃引入地下泄放，因而對“接地”一定要重視起來(lái)。一般站內的接地主要有構筑物接地、配電系統及強電設備接地、計算機自控系統接地。
1、構筑物接地通常采用避雷針、避雷帶或消雷器，它們的接地處理除用建筑物內鋼筋結構接地以外，還應單獨鋪設引下線(xiàn)引至構筑物接地網(wǎng)。因為如果僅僅采用構筑物鋼筋結構接地，在構筑物修建時(shí)其鋼筋焊接質(zhì)量不一定能得到保證，雷擊時(shí)其均壓要求不能保證，容易在構筑物內出現強磁場(chǎng)。并且這些接閃器的引下線(xiàn)還應盡量多設幾條，使雷電電流有更多的分流途徑，以減小每條線(xiàn)上的泄放電流量從而降低感應能量。室內計算機、自控設備要盡量置于遠離避雷網(wǎng)導地金屬體。
2、配電系統及強電設備的接地問(wèn)題已經(jīng)有相當成熟的措施，而且使用效果也比較理想，尚未出現大的問(wèn)題，在此就不再敘述。
3、計算機自控系統是一個(gè)特殊用電系統，它包括以下幾種接地：系統工作接地(接地電阻不大于4歐姆)，安全保護接地(接地電阻不大于4歐姆)，直流工作接地（信號屏蔽地、邏輯地等不大于2歐姆)。泵站現有狀況下難以分開(kāi)，可以采用聯(lián)合接地，但要保證接地電阻一定要小于2歐姆。
4、三大接地網(wǎng)應分開(kāi)設置，主要考慮到以下三個(gè)原因：一是泵站構筑物大多數在修建時(shí)未考慮計算機等弱電設備，且其接閃地和設備地本身已分開(kāi)設置。二是一個(gè)泵站內，為普通用電設備供電的高、低壓配電系統中，都采用一個(gè)接地系統，由于用電的復雜性，在運行和雷擊時(shí)常常使零線(xiàn)(地線(xiàn))電流不為零(Id)。如采用聯(lián)合接地時(shí)(Rd)，必然使計算機接地電位抬高到Id〓Rd，從而可能造成反擊。黃浦站的雷擊事故經(jīng)市防雷中心檢驗測試，斷定原因之一便是電位反擊造成的。三是新增計算機、PLC系統時(shí)，若要與構筑物接地、配電系統及強電設備接地聯(lián)合接地，其接地電阻要保證小于0.5歐姆，這樣一般難以做到而且造價(jià)高昂。地網(wǎng)分開(kāi)設置時(shí)應注意避免地網(wǎng)之間的閃絡(luò )。雷擊時(shí)，會(huì )在地網(wǎng)及附近導體中產(chǎn)生很高電位，地網(wǎng)分開(kāi)，則可能造成接閃接地體向其它接地體閃絡(luò )。所以，當涉及自控系統接地時(shí)地網(wǎng)之間的距離應大于10M。在接地線(xiàn)引入室內時(shí)，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。