水厂自动化系统防雷专项方案

水厂自动化系统防雷方案系统介绍：伴随计算机技术(Computer)、控制技术(Control)、通讯技术(Communication)、显示技术(CRT)发展和广泛应用，现在水厂自动化控制普遍采取由工业计算机IPC或可编程控器PLC组成集数据采集、过程控制和信息传送于一体监控网络。因为这些设备大量采取高度集成化CMOS电路和CPU单元，其对瞬间过电压承受能力大幅降低，成为水厂受雷电损害关键设备。所以对自动化系统采取有效保护方法是很必需，明析瞬间过电压产生路径和危害是正确采取防护方法前提。一、瞬间过电压产生瞬间过电压是指在微妙至毫秒之内所产生尖峰冲击电压而非通常电源上所谓过压(通常电源过压可能维持数秒及以上)，瞬间过电压有两种产生路径：雷击和电气开关动作。1、通常构筑物避雷网只能保护其本身免受直击雷损害，雷击会经过以下两种方法破坏电子设备：①直击到电源输入线，经电源线进入而损害设备，因电力线上安装多种保护间隙和电力避雷器，只可把线对地电压限制到小于6000伏(IEEEC62.41)，而线对线无法控制。②以感应方法(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，会产生磁场存放能量并和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。二、瞬间过电压对电子设备危害瞬间过电压使电子设备讯号或数据传输和存放全部受到干扰甚至丢失，至使电子设备产生误动作或临时瘫痪；反复影响而降低电子设备寿命甚至立即烧毁元器件及设备。这一切全部会给生产和工作带来较大损失。通常水厂自动化系统控制站全部置于构筑物之中，网络线、电源线铺设于电缆沟中，所以遭受直接雷击可能性不大，其防护关键对象是雷电波侵入(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85%，按成城市自来水总企业资料统计占水厂自动化系统雷击事故原因100％。雷电波侵入(感应偶合)对自动化系统破坏，关键是经过侵入电源线、天馈线、通讯线和信号线而分别损坏电源模板、通讯模板、I／O模板；也可能因感应从信号采集线和接地网引入有害信号电流和接地电流，损坏自动化系统或影响其运行。依据瞬间过电压产生、危害路径和自控系统大量采取高度集成化CMOS电路和CPU单元及集控制、通讯、监测为一体且分散面广特点，我们认为对自控系统要尽可能降低雷电带来损失，就必需采取系统、综合防雷方法。尤其应从配电系统防雷、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。设计依据：GB50057－94（）《建筑物防雷设计规范》GB50343-《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50174-93《电子计算机房设计规范》GB16895.22-《建筑物电气装置第5-53部分：电气设备选择和安装，第534节：过电压保护电器》GB18802.1-《低压配电系统电涌保护器第1部分：—性能要求和试验方法》GB/T18802.21-《低压电涌保护器第21部分：电信和信号网络电涌保护器（SPD）－性能要求和试验方法》

水厂自动化系统具体设计方案整个水厂自动化系统，关键由上位机、PLC和各类监控、分析仪表组成：因为中控室和PLC站在整个系统中十分关键，所以我在选择防雷器时，在资金许可前提下，要求尽可能使用高能量防雷器，分别对系统电源、现场总线和4～20mA模拟量进行保护。1、自控配电系统防雷当雷击输电线或雷闪放电在输电线周围时，全部将在输电线路上形成雷电冲击波，其能量关键集中在工频至几百赫低端，轻易和工频回路耦合。雷电冲击波从配电线路进入自控设备电源模块和从配电线路感应到同一电缆沟内自控网络线上进入自控设备通讯模块几率比从天馈和信号线路进入要高得多。所以配电线路防雷是自控系统防雷关键部份。水厂配电系统在高、低压进线全部已安装有阀型避雷器、氧化锌避雷器等避雷装置，但自控设备电源机盘仍会遭受雷击而损坏。这是因为这些方法保护对象是电气设备，而自控设备耐过压能力低，同时，这些避雷器开启电压高而且有些有较大分散电容，和设备负载之间成为分流关系，从而加在自控设备上残压高，最少高于避雷装置开启电压，通常为峰峰值2-2.5倍(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操作过电压也是危害自控系统关键原因之一。由上述，用单一器件或单级保护极难满足要求自控设备对电源要求，所以对电源防雷应采取多级保护方法。具体级数依据各自实际情况而定(原有高压避雷器保留)。第一级在变压器二次侧，关键泄放外线等产生过电压，其雷通量大，开启电压高(920-1800V)。B级电源一级防雷粗保护：机房所在建筑总配电室处作电源一级保护。配电柜机房电源断路器输入端处并联接入一套型号为TPSB50-pro4P防雷器吸收高能雷电流；把雷电流减小到无害值；以实现电源一级防雷粗保护。一套TPSB50-pro4P防雷器由四个TPSB50-pro模块组成（其泄放闪电脉冲电流在10／350下可达50KA），四个模块分别并接在总电源交流配电屏输入端三根相线及零线和地线之间，防雷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，关键泄放第一级残压、配电线路上感应出过电压和其它用电设备操作过电压、其电流通量居中，开启电压居中(470-1800V)。隔离变压器安装很关键，它能有效抑制多种电磁干扰，对雷电波一样有效。C级电源二级防雷防过压细保护：机房设备用电均由UPS供给，所以在机房UPS电源分配箱输入总开关处并联接入一套型号为TPSC403P+N防雷器吸收低能雷电流和浪涌过电压，以保护设备安全。一套TPSC403P+N防雷器由三个相线模块和一个NPE模块组成（其最大放电电流在8／20下可达40KA）四个模块分别并接在电源分配电箱电源输入端相线及零线和地线之间，防雷器前端串接小型断路器。假如B级和C级之间距离较近（小于10米），可选择型号为TPSB+C复合型电源电涌保护器，一套B+C防雷器由TPSB50-CTRL四个模块于一套TPSC40/4防雷器组合而成。模块并接在总电源配电箱电源输入端相线及零线和地线之间，防雷器前端串接小型断路器。末级在PLC专用电源模板前，关键泄放前面残压，完全可达成箝位输出，其残压低，响应时间快。D级机房电源三级防雷防过压精细保护：在机房关键设备，如服务器，交换机，防火墙等前端加装同为防雷插座TPSD10JF7，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电源线单独布排。各级避雷器应尽可能靠近被保护设备以免雷电侵入波发生正全反射。各级开启电压可据系统而定，但末级应尽可能达成箝位输出。自来水司水厂采取电子避雷器后其自控系统通常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通常全部采取特制屏蔽双绞线(如DH+、MB+)，而且通常在安装时全部是穿管直埋(或电缆沟)铺设，所以雷电在此处感应电压不高(1KV-2KV)。但因为其直接进入PLC或计算机通讯口这一微弱步骤(正常电压通常为正负5V、12V、24V、48V等)，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)，在选择避雷器件时通常全部不采取氧化物避雷器，因为它分布电容大、对高频损耗大，除非对之进行特殊处理。通常避雷器原理，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。选择这类避雷器时应以通讯电平和频率或速率来确定，对于比较高频讯号便需要特殊设计防雷器以确保其阻抗和该系统对应，不然会有信号反射现象。避雷器应靠近通讯接口处安装(减小反射损耗)。网络通讯线路避雷最好方法当然是采取光纤网络。单路通讯线防雷器采取型号TTS-VF系列电涌保护器或TTS-DB系列串口通讯系统电涌保护器。控制信号仪表信号采取TMS-P或TMS-M系列测控专线电涌保护器。光纤不需要安装防雷器，只需要在光缆金属加强筋做好接地即可。水厂和上级部门及水厂之间无线电通讯通常距离近，功率低，其连接线全部采取同轴电缆。所以对天馈防雷关键是选择同轴电缆避雷器。我们知道，雷电波能量关键集中在工频和几百赫低端，和有用通讯信号频段相距很远。把这两种信号分开有效手段就是采取高通滤波器，在选择这类产品时，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，不然须有对应接地方法)。现在中国市场上同轴电缆避雷器就是利用这一原理。这里可采取同为TCS-G系列同轴天馈系统防雷器。3、控制站构筑物防雷总控站是控制和信息中心，集中了很多位重值高计算机设备、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，在装修中大量采取了铝、铁等金属材料，所以在防雷上要求就更高部分，其目标是要形成均压等电位屏蔽方法。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多种形式雷击。控制站所在构筑物接地电阻须小于10欧。有天馈线或通讯铁塔应安装避雷针，并置于构筑物避雷网45°角内，避雷针和通讯铁塔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。如只采取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确保，雷击时其均压要求不能确保而易在构筑物内出现强磁场。构筑物外墙上全部金属门窗应接入构筑物接地网。前面已述，雷电危害路径关键经过感应而进入自控系统，所以避雷针、带、网引下线应尽可能多设几条，使雷电电流有更多分流路径，以减小每条线上泄放电流量从而降低感应能量。室内计算机、自控设备要尽可能置于远离避雷网导地金属体。4、合理接地防雷最终方法是"泄放"，所以对"接地"切不可轻心。通常厂内接地关键有构筑物接地、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，极易在雷击时经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，它包含以下多个接地：系统工作地(小于4欧)，直流工作地(信号屏蔽地、逻辑地等小2欧)，安全保护地(小于4欧)。在安装时难以分开(尤其是对PLC系统)，对这一系统采取联合接地很好。接地电阻取最小值，最少小于2欧。现在水厂三大接地网通常是分开设置。即使也有采取部分联合接地，但我们认为，在水厂还是分开设置很好，原因有以下几点：l、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，为一般用电设备供电高、低压配电系统中，全部采取一个接地系统，因为用电复杂性，在运行和雷击时常常使零线(地线)电流不为零(Id)。如采取联合接地时(Rd)，肯定使计算机接地电位抬高到IdRd，从而可能造成反击。3、新增计算机、PLC系统时，若要和构筑物接地、配电系统及强电设备接地联合接地，其接地电阻小于0．5欧较安全，这么首先造价太高，在一些地质条件下很能难做到，其次对旧地网(尤其是老水厂)处理时比较困难。地网分开设置时应注意避免地网之间闪络。雷击时，会在地网及周围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，地网之间距离SK当包含自控系统接地时应大于10M。在接地线引入室内时，若和其它地网距离太近，可局部采取既绝缘又屏蔽方法。5、避雷器选型及安装布线要发挥良好避雷功效，防雷器应不会对保护设备或线路造成任何干扰和中止现象；含有低"经过"电压(将瞬间过电压降到设备能承受范围)；能承受高电流(二次感应电流通常不会超出10000A)；反复使用寿命长且含有状态显示。电源避雷须提供相对地、中对地及相对中全方面保护作用。我们知道导线电压降关键取决于其电感值，而电感值受到长度和连接方法影响，我们采取以下方法来降低并联防雷器感性电压：量降低连接线长度(小于25CM)，降低