潘　冰，冉丹婷，王庚平

（1.甘肅省膜科學(xué)技術(shù)研究院，甘肅 蘭州730020；2.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州730020）

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水廠自動化系統(tǒng)防雷保護(hù)工程的設(shè)計(jì)

潘冰1，冉丹婷2，王庚平1

（1.甘肅省膜科學(xué)技術(shù)研究院，甘肅 蘭州730020；2.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州730020）

摘要：近年來隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，我國的許多自來水廠均將先進(jìn)的自動化技術(shù)大量運(yùn)用在水廠管控系統(tǒng)的升級換代上。目前水廠的自動化控制系統(tǒng)普遍采用由工業(yè)計(jì)算機(jī)IPC和PLC組成的集數(shù)據(jù)采集、過程控制和信息傳送于一體的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。但是由于此類設(shè)備承受瞬間過電壓的能力較弱，因此雷擊經(jīng)常致使設(shè)備損壞從而導(dǎo)致整套系統(tǒng)癱瘓。結(jié)合華亭縣安口水廠自動化系統(tǒng)防雷保護(hù)工程的設(shè)計(jì)，為水廠自動化系統(tǒng)如何防止瞬間過電壓侵害提供實(shí)際參考。

關(guān)鍵詞：水廠自動化系統(tǒng)；防雷保護(hù)設(shè)計(jì)；防雷接地保護(hù)

1　概述

安口自來水廠位于甘肅省平?jīng)鍪腥A亭縣，主要擔(dān)負(fù)著華亭縣安口鎮(zhèn)以及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口的生產(chǎn)生活供水。水廠在廠區(qū)東北側(cè)的山麓頂部建設(shè)有一座大型高位蓄水池，水池水位的高低由安裝于水池內(nèi)的液位變送器檢測，通過電纜將液位信號傳送至山腳下的水廠控制室，再通過二次儀表顯示，工作人員可以根據(jù)水池水位的高低由廠內(nèi)供水泵將經(jīng)過處理后的合格自來水提灌至高位蓄水池內(nèi)，再通過自流由管道輸送至各用水點(diǎn)。

由于安口水廠所在的地區(qū)屬于多雨山區(qū)，且高位蓄水池位于距水廠500m附近的山麓最高點(diǎn)，水池液位監(jiān)測系統(tǒng)多次遭受雷擊破壞。最嚴(yán)重的一次，雷雨天氣致使水廠供配電設(shè)備損壞和控制系統(tǒng)癱瘓，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。分析原因，主要是因?yàn)榉览自O(shè)施不健全，水廠控制室和高位蓄水池沒有接地網(wǎng)；其次，由于液位信號采用電纜明線傳輸，又沒有二級防雷措施，更容易造成雷擊災(zāi)害。有鑒于此，2010年，安口自來水廠對水廠老舊的供電設(shè)施及控制系統(tǒng)進(jìn)行自動化升級改造，同時(shí)實(shí)施了防雷保護(hù)工程。

2　水廠自動化系統(tǒng)改造

2.1計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控中心（原控制室）采用由上位機(jī)和PLC組成的集散監(jiān)控模式，水廠內(nèi)所有需要監(jiān)視控制的設(shè)備，如供水泵、加藥泵、電動閥等均接入PLC控制柜。管理人員可以隨時(shí)在上位機(jī)對上述設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程開啟、遠(yuǎn)程關(guān)閉等操作。同時(shí)，管道流量、管網(wǎng)壓力、濁度等供水系統(tǒng)重要的運(yùn)行參數(shù)均采集到監(jiān)控系統(tǒng)中，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后直觀的顯示在電腦上，管理人員可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)調(diào)整運(yùn)行設(shè)備，達(dá)到穩(wěn)定高效的運(yùn)行效果。除此之外，監(jiān)控設(shè)備出現(xiàn)過載、超壓等故障時(shí)，上位機(jī)控制界面會以中文形式報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)排除故障，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.2高位蓄水池液位信號無線遠(yuǎn)傳

考慮的改造成本和施工難度，同時(shí)為了徹底解決液位信號采用電纜明線傳輸易遭受雷擊的安全隱患，高位蓄水池的液位信號傳輸采用無線傳輸?shù)募夹g(shù)，分別在山底水廠監(jiān)控中心和山頂高位蓄水池控制子站安裝數(shù)傳電臺，通過數(shù)傳電臺將液位變送器采集到的水位信號，采用無線方式遠(yuǎn)傳到監(jiān)控中心PLC柜內(nèi)。上位機(jī)通過RS485通訊，將水位信號從PLC內(nèi)讀取到上位機(jī)組態(tài)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)水池水位的即時(shí)監(jiān)測。同時(shí)，自動化系統(tǒng)可以根據(jù)水池水位的高低自動啟停供水泵為水池補(bǔ)水，極大地降低了管理人員的工作強(qiáng)度。

3　水廠自動化系統(tǒng)防雷保護(hù)設(shè)計(jì)

防雷保護(hù)系統(tǒng)如圖1所示，因?yàn)樗畯S自動化系統(tǒng)的除無線通訊天線外其他控制設(shè)備均置于建筑物之中，故會對自動化系統(tǒng)造成破壞的方式有直擊雷和雷電波入侵兩種，首先該水廠山頂控制子站和山下監(jiān)控中心所在構(gòu)筑物房頂裝有數(shù)傳天線，并未采取防雷保護(hù)措施，有遭受直擊雷的風(fēng)險(xiǎn)。其次由于整套系統(tǒng)中所有網(wǎng)絡(luò)線、電源線等雖敷設(shè)于電纜溝中擔(dān)仍然存在雷電波侵入風(fēng)險(xiǎn)。造成雷擊風(fēng)險(xiǎn)原因主要有以下兩點(diǎn)：一是雷電波通過信號線、天線饋線、電源線和通訊線侵入，分別導(dǎo)致自動化設(shè)備的電源模塊、通訊模塊、I/O模塊的損壞；二是雷電造成地電位反擊危害，因接地不良，或未做共用接地，使雷擊造成的高的地電位沿接地線損壞自動化設(shè)備從而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。故整套系統(tǒng)的防雷保護(hù)必須從配電系統(tǒng)防雷保護(hù)、自控系統(tǒng)線路防雷保護(hù)以及建筑物防雷接地保護(hù)三方面著手。

圖1　防雷保護(hù)系統(tǒng)圖

3.1配電系統(tǒng)防雷保護(hù)

水廠在高壓、低壓進(jìn)線端需安裝有符合classⅠ級分類試驗(yàn)的電涌保護(hù)器，能夠直接承受超大雷電流沖擊，并起到限制過電壓和分流電涌電流的作用，對整個(gè)廠區(qū)的供配電系統(tǒng)進(jìn)行第一級防護(hù)。但是由于負(fù)責(zé)給自控設(shè)備供電的配電裝置耐過壓能力低，同時(shí)，第一級避雷器的啟動電壓高而且有些有較大的分散電容，因此在第二級即控制室PLC的專用隔離變壓器前安裝有符合classⅡ級分類試驗(yàn)的電涌保護(hù)器，主要泄放第一級的殘壓、配電線路上感應(yīng)出的過電壓以及其他用電設(shè)備的操作過電壓；末級在PLC的專用電源模塊進(jìn)線側(cè)安裝限壓型mov電涌保護(hù)器模塊，繼續(xù)泄放殘壓，使之達(dá)到設(shè)備可承受的箝位輸出。

除此之外，自控系統(tǒng)的所有電源線均采用單獨(dú)布排，各級的避雷裝置在設(shè)計(jì)和安裝時(shí)盡可能的靠近被保護(hù)裝置，以上舉措對于防止雷電波入侵發(fā)生全反射都有較好的效果。

3.2自控系統(tǒng)線路防雷保護(hù)

自控系統(tǒng)中上位機(jī)和PLC的通訊采用RS485。通過特制的屏蔽雙繞線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。雙繞線敷設(shè)方式為電纜溝單獨(dú)敷設(shè)，發(fā)生雷擊時(shí)雷電在此處形成的感應(yīng)電壓約為1-2KV。由于RS485的供電電壓通常為2-6V，所以雷擊造成的感應(yīng)電壓極易對計(jì)算機(jī)和PLC的通訊接口造成損壞。由于上位機(jī)和PLC的通訊在整套系統(tǒng)里屬于人機(jī)交互最重要的環(huán)節(jié)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)屬于重點(diǎn)防護(hù)對象。此類系統(tǒng)避雷器件的選擇不同于配電系統(tǒng)，不能選擇常規(guī)氧化物避雷器。因?yàn)榇祟惼骷植茧娙荽螅瑢Ω哳l的損耗較大。因此設(shè)計(jì)采用專用于信息控制系統(tǒng)的信號型避雷器，該類展品插入損耗低，可以有效防止信號反射現(xiàn)象。

水廠監(jiān)控中心與山頂高位蓄水池監(jiān)控子站間為無線通訊，對天饋的防雷主要是選用同軸電纜避雷器。同時(shí)加裝避雷針，避雷針采用高效防腐銅棒做獨(dú)立接地體。接地引入線長度小于15m，選用40mm×4mm鍍鋅扁鋼，同時(shí)作防腐、絕緣處理。

3.3控制室防雷接地保護(hù)

水廠監(jiān)控中心是控制和信息中心，同時(shí)也是全廠生產(chǎn)監(jiān)控和調(diào)度的中心。因此其雷電防護(hù)顯得尤為重要。盡管監(jiān)控中心所在構(gòu)筑物高度較低，但是地處空曠且臨近水源。所以極易遭受各方向的各種形式的雷擊，且屋頂架設(shè)有無線通訊天線。因此防雷的措施主要為以下兩點(diǎn)：

3.3.1安裝避雷針

水廠中控室所在構(gòu)筑物已有避雷網(wǎng)。設(shè)計(jì)時(shí)僅對通訊天線加裝避雷針，并使天線位于避雷針的保護(hù)范圍以內(nèi)（保護(hù)范圍按滾球法確定為），避雷針的接地除用建筑物內(nèi)鋼筋結(jié)構(gòu)接地以外，還單獨(dú)設(shè)置接地體。接地體采用高效防腐銅棒做獨(dú)立接地體。銅棒埋深頂端距離地面大于0.7m。

圖2　接地設(shè)計(jì)

3.3.2接地設(shè)計(jì)

各車間的儀表、控制設(shè)備先在PLC站設(shè)立一個(gè)接地網(wǎng)，有水平接地體、垂直接地體、接入引入線、接地匯集線等組成1圈或2圈環(huán)形接地裝置，然后用接地帶將各接地網(wǎng)聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)等電位連接。設(shè)計(jì)如圖2所示，經(jīng)檢驗(yàn)，接地電阻

值符合防雷的國家規(guī)范要求。

4　結(jié)束語

華亭縣安口水廠自動化系統(tǒng)防雷保護(hù)工程于2011年10月按照設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范完成安裝調(diào)試工作后，經(jīng)檢測所有接地網(wǎng)的接地阻值均小于4Ω。該防雷工程自投用至今，所有設(shè)備運(yùn)行正常，再也沒有遭受雷擊的影響，保證了水廠自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)果表明水廠的自動化系統(tǒng)防雷，不應(yīng)僅注重防雷器件的選擇，還應(yīng)注意防雷和接地的綜合設(shè)計(jì)。規(guī)范的接地對防雷保護(hù)方案起到至關(guān)重要的作用，只有設(shè)計(jì)合適的線纜布放、屏蔽及接地方式，才能將安全隱患降到最低。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB50057-2010[S].建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范.

[2]GB5017493[S].電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范.

[3]羅文洛.水廠自控系統(tǒng)防雷.電氣時(shí)代[J].2003（3）.

中圖分類號：TM862