水厂自动化系统防雷方案

一、系统介绍
    随着计算机技术(Computer)、控制技术(Control)、通讯技术(Communication)、显示技术(CRT)的发展和广泛应用,目前水厂的自动化控制普遍采用由工业计算机IPC或可编程控器PLC组成的集数据采集、过程控制和信息传送于一体的监控网络。由于这些设备大量采用高度集成化的CMOS电路和CPU单元,其对瞬间过电压的承受能力大幅降低,成为水厂受雷电损害的主要设备。所以对自动化系统采取有效的保护措施是非常必要的,明析瞬间过电压产生途径和危害是正确采取防护措施的前提。


二、瞬间过电压的产生
    瞬间过电压是指在微妙至毫秒之内所产生的的尖峰冲击电压而非一般电源上的所谓过压(一般电源过压可能维持数秒及以上),瞬间过电压有两种产生途径:雷击和电气开关动作。


       1、一般构筑物避雷网只能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电子设备:直击到电源输入线,经电源线进入而损害设备,因电力线上安装的各种保护间隙和电力电涌保护器,只可把线对地的电压限制到小于6000(IEEE C62.41),而线对线无法控制。以感应方式(电阻性、电感性、电容性)偶合到电源、信号线上,最终损害设备。


       2、当电流在导体上流动时,会产生磁场存储能量并与电流大小和导线长度成正比,当电器设备(大负荷)开关时会便产生瞬间过电压而损害设备。


三、瞬间过电压对电子设备的危害
    瞬间过电压使电子设备讯号或数据的传输与存储都受到干扰甚至丢失,至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪;重复影响而降低电子设备寿命甚至立即烧毁元器件及设备。这一切都会给生产和工作带来较大损失。


    通常水厂自动化系统的控制站都置于构筑物之中,网络线、电源线铺设于电缆沟中,因而遭受直接雷击的可能性不大,其防护的主要对象是雷电波侵入(感应)。按国外资料统计雷电波侵入(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司资料统计占水厂自动化系统雷击事故原因的100%。雷电波侵入(感应偶合)对自动化系统的破坏,主要是通过侵入电源线、天馈线、通讯线和信号线而分别损坏电源模板、通讯模板、IO模板;也可能因感应从信号采集线和接地网引入有害的信号电流和接地电流,损坏自动化系统或影响其运行。


    根据瞬间过电压产生、危害途径和自控系统大量采用高度集成化的CMOS电路和CPU单元及集控制、通讯、监测为一体且分散面广的特点,我们认为对自控系统要尽可能降低雷电带来的损失,就必须采取系统的、综合的防雷措施。特别应从配电系统防雷、自控系统网络线路防雷、构筑物防雷和合理接地等四方面着手。


四、设计依据
  1. GB 500572010《建筑物防雷设计规范》
  2. GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》 
  3. GB50174-2008 《电子信息系统设计规范》
  4. GB16895.22-2004  《建筑物电气装置 5-53部分:电气设备的选择和安装,第534节:过电压保护电器》
  5. GB 18802.1-2002《低压配电系统的电涌保护器 1部分:性能要求和试验方法》
  6. GB/T 18802.21-2004《低压电涌保护器第21部分:电信和信号网络的电涌保护器(SPD)-性能要求和试验方法》 


 五、水厂自动化系统具体设计方案
    整个水厂的自动化系统,主要由上位机、PLC和各类监控、分析仪表组成:

        由于中控室和PLC站在整个系统中十分重要,所以我在选择电涌保护器时,在资金允许的前提下,要求尽可能使用高能量的电涌保护器,分别对系统的电源、现场总线和420mA模拟量进行保护。


1、自控配电系统的防雷
    当雷击输电线或雷闪放电在输电线附近时,都将在输电线路上形成雷电冲击波,其能量主要集中在工频至几百赫的低端,容易与工频回路耦合。雷电冲击波从配电线路进入自控设备的电源模块以及从配电线路感应到同一电缆沟内的自控网络线上进入自控设备的通讯模块的几率比从天馈和信号线路进入的要高得多。因此配电线路的防雷是自控系统防雷的重要部份。水厂的配电系统在高、低压进线都已安装有阀型电涌保护器、氧化锌电涌保护器等避雷装置,但自控设备的电源机盘仍会遭受雷击而损坏。这是因为这些措施的保护对象是电气设备,而自控设备耐过压能力低,同时,这些电涌保护器启动电压高而且有些有较大的分散电容,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启动电压,一般为峰峰值2-2.5(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生的操作过电压也是危害自控系统的重要原因之一。


    由上述,用单一的器件或单级保护很难满足要求自控设备对电源的要求,所以对电源防雷应采取多级保护措施。具体级数根据各自实际情况而定(原有的高压电涌保护器保留)


    第一级在变压器二次侧,主要泄放外线等产生的过电压,其雷通量大,启动电压高(920-1800V)B  电源一级防雷粗保护:机房所在建筑的总配电室处作电源一级保护。配电柜的机房电源断路器输入端处并联接入一套型号为TPS B50-pro 4P电涌保护器吸收高能雷电流;把雷电流减小到无害值;以实现电源一级防雷粗保护。一套TPS B50-pro 4P电涌保护器由四个TPS B50-pro模块组成(其泄放闪电脉冲电流在10350下可达50KA),四个模块分别并接在总电源交流配电屏输入端的三根相线及零线与地线之间,电涌保护器前端串接小型断路器。


    第二级在各控制站PLC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(470-1800V)。隔离变压器的安装非常重要,它能有效抑制各种电磁干扰,对雷电波同样有效。C  电源二级防雷防过压细保护:机房设备用电均由UPS供给,因此在机房UPS的电源分配箱输入总开关处并联接入一套型号为TPS C40 3P+N电涌保护器吸收低能雷电流和浪涌过电压,以保护设备的安全。一套TPS C40 3P+N电涌保护器由三个相线模块与一个NPE模块组成(其最大放电电流在820下可达40KA)四个模块分别并接在电源分配电箱电源输入端的相线及零线与地线之间,电涌保护器前端串接小型断路器。


    如果B级和C级之间的距离较近(小于10米),可选择型号为TPS B+C复合型电源电涌保护器,一套B+C电涌保护器由TPS B50-        CTRL四个模块和一套TPS C40/4电涌保护器组合而成。模块并接在总电源配电箱电源输入端的相线及零线与地线之间,电涌保护器前端串接小型断路器。


    末级在PLC专用电源模板前,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。D  机房电源三级防雷防过压精细保护:在机房重要设备,如服务器,交换机,防火墙等前端加装同为防雷插座TPS D10 JF7,吸收低能雷电流和浪涌过电压,作为防雷三级保护。


    有条件尽可能以从总配电柜开始将自控系统的电源线单独布排。各级电涌保护器应尽量靠近被保护设备以免雷电侵入波发生正的全反射。各级启动电压可据系统而定,但末级应尽量达到箝位输出。自来水司水厂采用电子电涌保护器后其自控系统一般不会在再遭受过电压损坏。


2、通讯线、天馈线避雷
    自控系统通讯线一般都采用特制屏蔽双绞线(DH+MB+),并且一般在安装时都是穿管直埋(或电缆沟)铺设,所以雷电在此处的感应电压不高(1KV-2KV)。但由于其直接进入PLC或计算机通讯口这一薄弱环节(正常电压一负5V12V24V48V),故损害也很大。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),在选用电涌保护器件时一般都不采用氧化物电涌保护器,因为它的分布电容大、对高频损耗大,除非对之进行特殊处理。通常电涌保护器原理,其中箝位二极管残压很低,若额定电压为24V,则残压在于24-30V之间。选用此类电涌保护器时应以通讯电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电涌保护器以确保其阻抗与该系统对应,否则会有信号反射的现象。电涌保护器应靠近通讯接口处安装(减小反射损耗)。网络通讯线路避雷的最好方法当然是采用光纤网络。


    单路通讯线电涌保护器采用型号TTS-VF系列电涌保护器或者TTS-DB系列串口通讯系统电涌保护器。控制信号仪表信号采用TMS-P或者TMS-M系列测控线路电涌保护器。光纤不需要安装电涌保护器,只需要在光缆的金属加强筋做好接地即可。


    水厂与上级部门及水厂之间的无线电通讯一般距离近,功率低,其连接线都采用同轴电缆。所以对天馈的防雷主要是选用同轴电缆电涌保护器。我们知道,雷电波能量主要集中在工频和几百赫的低端,与有用通讯信号频段相距很远。把这两种信号分开的有效手段就是采用高通滤波器,在选用这类产品时,应据通讯频率和传输功率而定(天线应置于构筑物避雷网45°角内,否则须有相应接地措施)。目前国内市场上的同轴电缆电涌保护器就是利用这一原理。这里可采用同为TCS-G系列同轴天馈系统电涌保护器。


3、控制站构筑物的防雷
    总控站是控制和信息中心,集中了很多位重值高的计算机设备、通讯设备、仪器仪表,大多数还有电台和天馈线,是全厂生产监控、调度中心,在装修中大量采用了铝、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电位屏蔽措施。


    控制站所在构筑物应安装避雷带、避雷网,只安装避雷针效果不好,因为水厂构筑物高度虽低,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。控制站所在构筑物的接地电阻须小于10欧。有天馈线或通讯铁塔的应安装避雷针,并置于构筑物避雷网45°角内,避雷针以及通讯铁塔的接地除用建筑物内钢筋结构接地以外,还应单独铺设引下线引至构筑物接地网。如只采用构筑物钢筋结构接地,因为在构筑物修建时其钢筋焊接质量不一定能得到保证,雷击时其均压要求不能保证而易在构筑物内出现强磁场。构筑物外墙上的所有金属门窗应接入构筑物的接地网。


    前面已述,雷电的危害途径主要通过感应而进入自控系统,所以避雷针、带、网的引下线应尽量多设几条,使雷电电流有更多的分流途径,以减小每条线上的泄放电流量从而降低感应能量。室内计算机、自控设备要尽量置于远离避雷网导地金属体。


4、合理接地
    防雷的最终措施是"泄放",因而对"接地"切不可轻心。一般厂内的接地主要有构筑物接地、配电系统及强电设备接地、计算机自控系统接地。如这三种接地配置不合理,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电系统,它包括以下几种接地:系统工作地(小于4),直流工作地(信号屏蔽地、逻辑地等小2),安全保护地(小于4)。在安装时难以分开(特别是对PLC系统),对这一系统采用联合接地较好。接地电阻取最小值,至少小于2欧。


    目前水厂的三大接地网一般是分开设置的。虽然也有采用部分联合接地的,但我们认为,在水厂还是分开设置较好,原因有以下几点:
       1) 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。
       2) 一个水厂内,为普通用电设备供电的高、低压配电系统中,都采用一个接地系统,由于用电的复杂性,在运行和雷击时常常使零线(地线)电流不为零(Id)。如采用联合接地时(Rd),必然使计算机接地电位抬高到Id Rd,从而可能造成反击。
       3) 新增计算机、PLC系统时,若要与构筑物接地、配电系统及强电设备接地联合接地,其接地电阻小于05欧较安全,这样一方面造价太高,在某些地质条件下很能难做到,另一方面对旧地网(特别是老水厂)处理时比较困难。


    地网分开设置时应注意避免地网之间的闪络。雷击时,会在地网及附近导体中产生很高电位,地网分开,则可能造成接闪接地体向其它接地体闪络。所以,地网之间的距离当涉及自控系统接地时应大于20M。在接地线引入室内时,若与其它地网距离太近,可局部采取既绝缘又屏蔽的措施。


5、电涌保护器的选型及安装布线
    要发挥良好避雷功能,电涌保护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(二次感应电流一般不会超过10000A);反复使用寿命长且具有状态显示。电源避雷须提供相对地、中对地及相对中的全面保护作用。


    我们知道导线的电压降主要取决于其电感值,而电感值受到长度和连接方法影响,我们采用以下方法来减少并联电涌保护器的感性电压:
       1) 量减少连接线长度(小于25CM),减少线路回圈,并将每组连接线绑扎以使其磁场相互抵消。
       2) 当连接线过长(大于25CM)时,多加一组连接线并分组绑扎,使电感电流平分到两组上从而减低磁场强度。串联电涌保护器保证输出线与输入线、接地线尽量远离,以免再次偶合感应。


    总结:总之,由于计算机、PLC系统大量采用大规模CMOS集成电路和分散控制用的CPU单元,使其对瞬间过电压承受能力大幅度减弱,同时控制系统各种线路伸入到工厂的各种环境之中,采用任何一种单一的电涌保护器件都有难以保证其安全,必须采取综合防护的措施,对症下药将各类可能引起雷害的因素排除,才能将雷害减少至最低限。
 



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