喬利偉 張惠良

蘇州市水利工程管理處 江蘇蘇州 215000

工業(yè)化進(jìn)程的加快，在技術(shù)上得到了有力的發(fā)展，信息技術(shù)的更新?lián)Q代，使得越來(lái)越多的行業(yè)都和信息化的工作方式相結(jié)合。排水泵站也在技術(shù)上有所創(chuàng)新，對(duì)于信息化的應(yīng)用，大大的提高了泵站的工作效率，然而在對(duì)泵站的信息應(yīng)用上使用了智能化的PLC技術(shù)，這種技術(shù)的實(shí)施，其中也有比較脆弱的環(huán)節(jié)。比如其中采用了高度集成化的設(shè)備，這些設(shè)備一般都是采用比較高端的技術(shù)合成，有著很高的技術(shù)手段，但是在對(duì)外在的抵抗力上也存在著一些不足，比如說(shuō)在應(yīng)對(duì)雷電方面，這些設(shè)備的抵抗力就比較弱，很容易受到瞬態(tài)過(guò)電壓的影響，而造成一定程度的損害。

1 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(gòu)架、樹(shù)木等物體上，由于熱電效應(yīng)等混合力作用直接對(duì)物體造成傷害；二是雷云下的靜電感應(yīng)：一般針對(duì)線(xiàn)路而言，在一定強(qiáng)度的雷云下在高壓架空線(xiàn)路上可以感應(yīng)出300-400kV的過(guò)電壓、在低壓架空線(xiàn)路上可以感應(yīng)出100kV的過(guò)電壓、在電信線(xiàn)路上也可感應(yīng)出40-60kV的過(guò)電壓；三是雷電的電磁感應(yīng)：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(yīng)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(dǎo)致地網(wǎng)地電位上升，高電壓經(jīng)設(shè)備接地線(xiàn)引入電子設(shè)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(yīng)雷加載了過(guò)電壓及雷電流以感應(yīng)的方式耦合到線(xiàn)路上，進(jìn)而入侵設(shè)備。

2 瞬態(tài)過(guò)電壓對(duì)自控設(shè)備的危害

通常，在泵站的設(shè)計(jì)建設(shè)中對(duì)于直擊雷的防護(hù)已經(jīng)有比較完善的措施。自動(dòng)化控制系統(tǒng)大部分置于泵站的廠(chǎng)房之中，網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)、電源線(xiàn)鋪設(shè)于電纜溝中，因而遭受直接雷擊的可能性不大。根據(jù)雷電電磁脈沖（LEMP）理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明：計(jì)算機(jī)及其它自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備損壞的主要原因是雷電感應(yīng)浪涌電壓造成的。雷電感應(yīng)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(hào)線(xiàn)把感應(yīng)浪涌電壓波引入設(shè)備內(nèi)部，分別損壞電源模板、通訊模板、I/0模板，致使設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作、暫時(shí)癱瘓或立即燒毀元器件。如前幾年我處某泵站遭受雷電襲擊，瞬態(tài)過(guò)電壓致使網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)（SWITCH）、集線(xiàn)器（HUB）、計(jì)算機(jī)電源以及部分顯示器均遭損壞。

3 泵站自控系統(tǒng)防雷措施

由此可見(jiàn)，現(xiàn)有的雷電防護(hù)體系已不能滿(mǎn)足當(dāng)前自動(dòng)化系統(tǒng)的安全要求，應(yīng)從單純的一維無(wú)源防護(hù)轉(zhuǎn)為針對(duì)防直擊雷、防靜電感應(yīng)、防雷電電磁感應(yīng)、防地電位反擊、防感應(yīng)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(hù)相結(jié)合的三維防護(hù)體系。我們應(yīng)從泵站自動(dòng)化系統(tǒng)的整個(gè)配電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)、微機(jī)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，對(duì)泵站自控系統(tǒng)進(jìn)行全方位的防雷防過(guò)電壓保護(hù)。

3.1 自控配電系統(tǒng)的防雷

當(dāng)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(shè)備的電源模塊，因此，配電線(xiàn)路的防雷是自控系統(tǒng)防雷的重要部分。采用三級(jí)浪涌電壓保護(hù)器（也叫瞬態(tài)過(guò)電壓保護(hù)器SPD）是自控系統(tǒng)目前比較理想的防雷保護(hù)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(shè)備的電源用線(xiàn)與照明等其他用電線(xiàn)路嚴(yán)格分開(kāi)。三級(jí)浪涌電壓保護(hù)器的分布為：第一級(jí)在變壓器二次側(cè)、進(jìn)線(xiàn)柜斷路器后的三根相線(xiàn)和中性線(xiàn)上，分別對(duì)地并聯(lián)，主要泄放外線(xiàn)等產(chǎn)生的較強(qiáng)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(fù)載之間成為分流的關(guān)系，從而使加在下一級(jí)設(shè)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(jí)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(duì)地并聯(lián)，主要泄放第一級(jí)殘壓，分流配電線(xiàn)路上傳輸過(guò)程中的感應(yīng)或耦合過(guò)電壓和其它用電設(shè)備的操作過(guò)電壓，有效抑制各種電磁干擾。第三級(jí)在PLC、UPS或其它自控設(shè)備接線(xiàn)板熔斷器后的相線(xiàn)和中性線(xiàn)上，分別對(duì)地并聯(lián)，主要泄放前面的殘壓，進(jìn)一步保護(hù)設(shè)備不受過(guò)電壓的干擾。目前我處的泵站大多已采用上海方科、蘇州科佳的電源防雷器在線(xiàn)路上進(jìn)行保護(hù)，直至今年的幾次雷擊中，效果明顯，未發(fā)生因雷擊事故而造成的設(shè)備損壞[1]。

3.2 信號(hào)系統(tǒng)與天饋系統(tǒng)防雷

自控系統(tǒng)信號(hào)線(xiàn)一般都采用特制屏蔽雙絞線(xiàn)（如DH+、MB+），一般穿管鋪設(shè)，雷電在此處感應(yīng)電壓在lkV-2kV范圍內(nèi)，但其直接進(jìn)入PLC或計(jì)算機(jī)通訊口（電壓在5V-48V之間），可能會(huì)造成的較大的損害。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)交換或通訊頻率是從直流到幾十兆赫茲（據(jù)系統(tǒng)而定），在選用避雷器時(shí)要選用專(zhuān)用信號(hào)SPD。當(dāng)通信電纜感應(yīng)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(shè)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(duì)天線(xiàn)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(hào)分開(kāi)。當(dāng)受到雷擊時(shí)快速有效的將感應(yīng)雷電流通過(guò)雷電支路泄放到大地。目前我處采用的是上海方科、蘇州科佳的信號(hào)防雷器，經(jīng)過(guò)觀察測(cè)試，取得了良好的效果，該防雷器工作穩(wěn)定，對(duì)自控信號(hào)線(xiàn)路進(jìn)行了有效的保護(hù)[2]。

3.3 屏蔽、等電位處理

泵站控制室內(nèi)的電力電纜（線(xiàn)）、通信電纜（線(xiàn)）應(yīng)該盡量采用屏蔽電纜。在控制室還可以沿地面上布銅排，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(jī)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平方毫米銅芯軟線(xiàn)作為等電位連接線(xiàn)。

3.4 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(duì)“接地”一定要重視起來(lái)。一般站內(nèi)的接地主要有構(gòu)筑物接地、配電系統(tǒng)及強(qiáng)電設(shè)備接地、計(jì)算機(jī)自控系統(tǒng)接地。

（1）構(gòu)筑物接地通常采用避雷針、避雷帶，它們的接地處理除用建筑物內(nèi)鋼筋結(jié)構(gòu)接地以外，還應(yīng)單獨(dú)鋪設(shè)引下線(xiàn)引至構(gòu)筑物接地網(wǎng)。因?yàn)槿绻麅H僅采用構(gòu)筑物鋼筋結(jié)構(gòu)接地，在構(gòu)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(gòu)筑物內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)。并且這些接閃器的引下線(xiàn)還應(yīng)盡量多設(shè)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(yīng)能量。室內(nèi)計(jì)算機(jī)、自控設(shè)備要盡量置于遠(yuǎn)離避雷網(wǎng)導(dǎo)地金屬體。

（2）配電系統(tǒng)及強(qiáng)電設(shè)備的接地問(wèn)題已經(jīng)有相當(dāng)成熟的措施，而且使用效果也比較理想，尚未出現(xiàn)大的問(wèn)題，在此就不再敘述。

（3）計(jì)算機(jī)自控系統(tǒng)是一個(gè)特殊用電系統(tǒng)，它包括以下幾種接地：系統(tǒng)工作接地（接地電阻不大于4歐姆），安全保護(hù)接地（接地電阻不大于4歐姆），直流工作接地（信號(hào)屏蔽地、邏輯地等不大于2歐姆）。以我處泵站現(xiàn)有狀況難以分開(kāi)，可采用聯(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(yīng)分開(kāi)設(shè)置，主要考慮到以下三個(gè)原因：一是泵站構(gòu)筑物大多數(shù)在修建時(shí)未考慮計(jì)算機(jī)等弱電設(shè)備，且其接閃地和設(shè)備地本身已分開(kāi)設(shè)置。二是一個(gè)泵站內(nèi)，為普通用電設(shè)備供電的高、低壓配電系統(tǒng)中，都采用一個(gè)接地系統(tǒng)，由于用電的復(fù)雜性，在運(yùn)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(jì)算機(jī)接地電位抬高到Id=Rd，從而可能造成反擊。三是新增計(jì)算機(jī)、PLC系統(tǒng)時(shí)，若要與構(gòu)筑物接地、配電系統(tǒng)及強(qiáng)電設(shè)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(shè)置時(shí)應(yīng)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(dǎo)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(dāng)涉及自控系統(tǒng)接地時(shí)地網(wǎng)之間的距離應(yīng)大于10m。在接地線(xiàn)引入室內(nèi)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。

3.5 接地電阻的預(yù)防性試驗(yàn)

每年必須對(duì)接地電阻進(jìn)行年度的預(yù)防性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)阻值偏大，要立即上報(bào)上級(jí)主管部門(mén)進(jìn)行及時(shí)的處理。我處每年汛前都委托有資質(zhì)的單位對(duì)泵站的接地電阻進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，防范雷擊事故，保障設(shè)備的安全正常運(yùn)行[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

泵站在智能化的PLC技術(shù)上的應(yīng)用，在為企業(yè)創(chuàng)造巨大效益的同時(shí)，也出現(xiàn)了相應(yīng)的安全隱患。防雷措施的實(shí)施是為了保證水泵能夠順利的工作運(yùn)轉(zhuǎn)，為了企業(yè)能夠在生產(chǎn)效率上不斷的進(jìn)步，所以一定要加大對(duì)防雷體系的建立，完善防雷系統(tǒng)，使防雷技術(shù)為企業(yè)和國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)貢獻(xiàn)自己的力量。