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水厂弱电设备防雷保护措施探讨

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  一、 概 况  雷击是一种大气自然现象,它能释放出巨大的能量、具有极强大的破坏能力。几个世纪来,人类通过对雷击破坏性的研究、探索,对雷电的危害采取了一定的预防措施,有效地降低了雷害。

  近年来,随着微电子技术的不断发展,自动控制系统、信息系统在水厂生产中应用越来越广泛,水司管理人员及工人受益于自控系统极大方便的同时,也受到其一旦损坏就损失巨大的困扰。事实上,在增加自动控制系统、信息系统的时候,存在对系统的防雷未加考虑或考虑不够的情况较多,一旦遭到雷击,就会造成设备损坏,有些雷击甚至会使整个系统瘫痪,造成不可挽回的损失。

  惠州市自来水总公司下属有三间水厂,其中江北水厂周边空阔,建筑物少,占地面积为18万平方米;河南岸水厂和桥东水厂,均位于居民区,周围建筑物多。惠州地区雷电活动频繁,所以水厂也经常会遭受雷电的侵袭,影响供水生产的正常运行。水厂在设计和建设时,多考虑建筑物和高压配电系统的防雷保护,近几年来三间水厂都普遍改用自动化控制,增加了很多诸如PLC、在线仪表、闭路监控、网络设备等一批微电子、智能化设备仪表,这些设备每年都会因遭受雷击而造成一定的经济损失,影响供水安全,造成社会危害。

  江北水厂就曾经发生过一次严重雷击事件,自动化系统中十几个PLC模块被雷击坏,部分在线仪表如流量计、SCD仪、浊度仪等遭受破坏,直接经济损失达十几万,同时也严重影响了生产的正常运行。在2005年桥东水厂也发生过一次雷击事件,造成4块PLC模块击坏,在线流量计和浊度仪烧坏,直接经济损失达几万元。这些事件对安全生产存在极大隐患,因此,讨论水厂弱电防雷保护已是必不可少的课题。

  二.水厂弱电设备雷电危害的主要原因分析  按现有的雷电理论,雷击从形式上来讲,可分为直接雷击和感应雷击两种。直接雷击会造成建筑物损坏并引起火灾事故,一般构筑物避雷设施只能保护其本身免受直击雷损害。感应雷击(主要为雷电的静电感应作用、电磁感应作用、放电时产生的强烈电磁脉冲、地电位反击和雷电波入侵等)引起的过电压,会沿架空导线、天线、电缆和金属管线等通道进入用户设备,引起设备的损坏。

  通常水厂自动化系统的控制站都置于构筑物之中,电源线、网络线、信号线均铺设于电缆沟中,因而遭受直接雷击的可能性不大,其防护的主要对象是感应雷击。按我公司资料统计水厂自动化系统雷击事故主要是感应雷击造成。感应雷击对自动化系统的破坏,主要是通过侵入电源线、天馈线、通讯线和信号线甚至从接地网引入而分别损坏PLC设备、仪器仪表、无线通信设备、计算机及网络设备等,影响控制系统的正常运行。通过对水厂雷击事件的现场勘察了解,发现水厂在弱电设备防雷方面存在以下不足:

  1、个别建筑物直击雷防护措施不合格,建筑物本身容易遭受直击雷破坏,雷电波经金属体入侵并危及建筑物内部的弱电设备;  2、用于自控系统接地装置的接地电阻偏大,没有达到小于2Ω的国家标准的要求,遭雷击时地电压抬高过大,干扰并损坏弱电设备;  3、部分弱电设备的外壳以及连接电缆的屏蔽线没有可靠接地,容易遭受雷电波的侵入,引起过电压,造成设备损坏;  4、水厂各PLC站通过网络进行通讯,线路长,网络线又多选用同轴电缆等通讯线材,在雷击时易感受雷电波,造成PLC系统的损坏;  5、弱电设备的电源线、控制线和信号线没有安装相应的防雷器,遭受雷击时无法有效泄放入侵的雷电流,从而引起设备的损坏;  6、有些立于房顶和空阔地的闭路监视设备,没有安装避雷针和接地装置,容易遭受直击雷的破坏;

  三、水厂弱电设备的防雷措施  因为水厂近年来不断采用自动化控制,增加了很多信息化设备,水厂从管理到技术都有了变化, 在防雷问题上水厂管理及技术人员对安装弱电设备的建筑物本体的安全防护,措施比较重视、也比较完善,而对感应雷的防护采取的措施就很少。由于水厂弱电设备内部结构高度集成化,从而造成设备耐压、耐过电流的水平下降,对雷电的承受能力下降;另一方面由于信号来源路径增多,系统较以前更容易遭受雷电波侵入,雷击危害设备的程度也远不能以雷击物的直接经济损失来估量,雷害的后果常常牵一发而动全身。实践表明不少屏蔽良好的控制系统、信息系统在雷雨季节也发生故障,就是因为即使屏蔽系数达到90%,雷电感应过电压仍有几百、上千伏,远远超过设备接口元器件允许承受的冲击耐压。因此,决不可认为雷害是一种随机性很强的概率事件而存在侥幸心理,要从各方面着手减少雷电的危害,水厂防雷具体措施如下:

  1、进一步完善水厂建筑物防直击雷措施,其接地电阻若达不到小于10Ω要求的,应另做接地装置,并与原地网作等电位连接,使之达到第二类建筑物防雷要求;  2、各个PLC子站系统的接地电阻达不到要求,要另外加装接地装置,并保证其接地电阻小于2Ω;  3、户外仪器仪表无接地装置,或者接地装置的接地电阻达不到要求的,要加装接地电阻,其接地电阻应小2Ω;  4、对弱电设备的配电系统加装多级电源避雷器,分级泄放经电源线入侵的雷电波,防止感应雷经电源线侵袭弱电设备;  5、对弱电设备的控制线,视频线、信号线和网络线等电缆的适当位置加装相应的信号避雷器,泄放经上述电缆入侵的雷电波,保护终端设备免受雷电侵袭;  6、户外的闭路电视监视设备加装避雷针和接地装置,要求接地电阻小于4Ω,防止直击雷的破坏。

  按照以上措施我们针对性的进行水厂防雷实施工作:  1、接地:所谓接地是指将所有金属构件、管道、电缆金属屏蔽层、穿线铁管连在一起,与屏蔽笼及总接地网就近连接,或者计算机的逻辑接地采用引外接地,为防反击再将其与主接地网共地。针对实际情况,认为将水厂三大接地网(接闪地、设备地、计算机地)分开设置较好,因为水厂构筑物大多数在修建时未考虑计算机等弱电设备,且其接闪地和设备地本身已分开设置;水厂供电的高、低压配电系统中,都采用一个接地系统,由于用电的复杂性,在运行或受雷击时常常使零线(地线)电流不为零,如采用联合接地时,必然使计算机接地电位抬高从而可能造成电压反击。  在地网分开设置时应注意避免地网之间的相互影响。雷击时,会在地网及附近导体中产生很高电位,地网分开,则可能造成接闪体影响其它接地体。所以,涉及自控系统接地的地网之间的距离应当大于10M。若地网之间距离太近的,可局部采取既绝缘又屏蔽的措施,如填充电阻率较低的物质如木碳、降阻剂等。  水厂由于各车间分散,做一个共地网费时费财,按车间分开做几个相互之间不受影响的地网,并将自控系统的设备地与接闪地分开,并保证接地电阻小于2Ω。对于控制室内控制柜的地线如达不到要求的,将重新连接,可行的办法是对每个控制柜加装一条40×5mm 的铜排,使控制柜内的接地线全部集中到铜排,并进行良好的接地。其中的困难是铜与铁的焊接技术要求很高。

  2、屏蔽:所谓屏蔽指的是采用屏蔽电缆,利用各种人工的屏蔽箱盒、法拉第屏蔽笼等和各种可以利用的自然屏蔽体来阻挡、衰减施加在系统设备上的过电压能量。在选材上考虑屏蔽性能好的线材,在施工布线方面注意屏蔽层接地问题,在PLC系统、仪表、闭路监视系统的控制线、信号线都选用屏蔽层一点接地方法,避免产生电压差,造成地电压反击;其次注意电缆的走线和布置,确保强弱线路分开,防止感应过电压,如果是由于空间问题,强弱线路不能有效分开,就利用整条通讯线穿铁管,并每隔一定距离就近可靠接地,如果通讯电缆长度太长,采用上述方法费用太高时,埋地敷设可改用套塑料管(敷设深度70cm以上),借用大地的屏蔽接地作用,但在电缆出土前15m至进建筑物处,电缆仍然套穿铁管,并可靠接地。

  3、避雷保护:所谓避雷保护指的是在电源线、信号线、接地线等过电压可能侵入的所有端口,装设必要的浪涌过电压防护装置,在系统引出的信号线、电源线上装设多级保护,包括粗保护和细保护,将侵入系统的冲击过电压箝制到设备耐压允许的水平。在加装避雷设施时分电源系统保护及信号系统保护。

  1)、电源系统的保护方案:  实行避雷器三级保护(图一)。第一级为防强雷电流保护,安装在总配电房380V的输入端,主要泄放外线等产生的过电压,其雷通量大,启动电压高;第二级为防过压、过流保护,安装在PLC控制站专用隔离变压器前,主要泄放第一级残压、配电线路上感应出的过电压和其它用电设备的操作过电压、其电流通量居中,启动电压居中;隔离变压器的安装非常重要,它能有效抑制如高频部分、尖峰浪涌等电磁干扰,对雷电波同样有效;第三级为防雷电磁场脉冲保护,安装在电子设备系统的输入端,主要泄放前面的残压,完全可达到箝位输出,其残压低,响应时间快。选择避雷器应尽量选择进口产品,如德国OBO产品,DEHN产品等。从总低压配电柜开始应将自控系统的电源线单独布排,单独接地减少互相干扰。各级避雷器应尽量靠近被保护设备以免雷电入侵保护设备。            图一:电源避雷器三级保护

                   2)、信号系统保护方案:  保护范围:水质仪表的信号部分、PLC信号、PLC网络系统、数据传输系统、闭路监视系统、电话程控交换机等,保护方法是在需要防护设备的信号端加装优质的信号避雷器,选择的信号避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,具有低“通过”电压(将瞬间过电压降到设备能承受的范围),能承受高电流,反复使用寿命长且具有状态显示。PLC网络系统避雷的最好方法是采用光纤网络,避免或减少感应雷击损害。

  四、结语  水厂弱电设备的防雷保护工程多数属于事后补救工程,在现有的条件下,应针对各地实际情况,充分应用各项防雷技术,采取比较切实可行的防雷保护措施,构成一个完整的防护体系,达到防雷的要求,确保水厂的安全运行;同时在实践中对防雷保护的理论、产品和技术不断的探索研究,使之逐步发展完善。

  参考资料:  1)《防雷技术标准规范汇编》1999年增订本