污水处理厂防雷保护的应用摘 要:在污水厂中设备种类较多,从电源系统、交流配电系统到弱电控制系统和通讯与监控系统,并且设备较为分散另外,由于污水处理厂占地面积较广,建筑物高度普遍偏低,造成厂内成为雷区所以需要对全场的设备采取较好的避雷防雷措施,减少设备遭遇雷击而造成的损坏,减少经济损失本文主要探讨针对污水处理厂特点而采取的一些防雷方法关键词:防雷 接地 等电位1 引言随着自动化水平的提高,弱电及监控系统在生产管理中的比重越来越高而弱电系统相对防雷等级较低,一旦遭受雷击就有可能造成系统的破坏瘫痪,为了采取有效的防雷保护措施,保障设备和系统的正常运行,首先探讨雷击的主要原因及雷电可能的入侵方式室内和室外设备由于所处的位置不同,所造成的雷击伤害也不同,需要采取不同的防护方式通过研究防雷设备的选择和设置,电源、位于线路的敷设、屏蔽以及采取的接地措施等,达到提高设备的防雷能力2 雷击方式和入侵途径雷击对设备的损害方式主要有两种:直接雷击(称为直击雷)和感应雷击(称为感应雷)直接雷击指的是雷电直接击在建筑物、设备或导电物体上,造成过流、发热或机械损坏等一般是室外的物体容易遭到直击雷的影响感应雷指的是雷电放电时,在放电周围形成很高的静电电场或感应电磁场。
雷电没有直接击中设备目标,而是通过感应的方式在金属上形成很高的电压设备上形成高电压后通过电源或其他金属线路释放电能而产生很大的电流,造成设备上的元器件损坏因为感应雷以感应的方式侵入设备,所以其危害更大,需要采取更严密的保护措施感应雷的产生方式一般有三种:(1)避雷装置产生的二次感应雷击传统的避雷装置，如避雷针等引雷接闪后,强大的雷电电流通过接地线引入大地而在引入线周围形成很大的感应电磁场,在周围的金属物体上感应出大量的电荷电荷的形成在金属物体内形成很大的感应电流造成设备损坏2)通过电源电缆、通讯或控制线和天线等引入的感应雷雷击产生的电磁场一般在几十 MHz 的频率,而能量主要集中在几十到几百 Hz 段,很容易和电源工频形成耦合效应当电源线架空敷设时,产生的耦合机会更高感应雷即从电源线进入设备造成设备的损坏当避雷针引雷后,在其引下线周围产生的电磁场将感应到附近的平行导线上产生感应过电压可用下式表示[3]:可见,在 500m 范围内的感应电压仍然可以达到 50 kV 以上,所以很容易对设备造成破坏另外,通讯或控制线一般距离较长,雷电电流释放时产生的感应电流很容易在其中形成,在避雷针引雷后接地线产生电流感应到天线馈线损坏通讯设备。
3)地线反击感应雷击假设,在某各测试点测量电位测试点的电位可用下式表示[1-P93]:Ux=UL+Ur=Loxhxdi/dt+i(r+R)此时的地电位升高至 500kV 以上,而测试点的电位高达69217kV从以上计算可看出,雷击产生后,进入大地,由于雷击电流的阻性耦合效应,通过接地反击到电子设备,在设备和接地极之间形成较大的电流而击穿设备内的电子元器件上述的各点说明了感应雷的传播途径,因为雷击时感应强度很大,耦合电流很强,形成很高的瞬间电压3 防雷分区根据 IEC 的标准,将系统划分等级,即LPZ0A、LPZ0B、LPZ1、LPZn+1、,,[1-p27]LPZ0A:天空、没有避雷针保护的大楼外部、无顶棚等覆盖物的地面等雷电可能会直接击中的的空间包括大楼顶部避雷针保护范围之外的空间LPZ0B:没有避雷针保护的非屏蔽大楼内部、有避雷针保护的大楼天台受保护部分、避雷线下的电缆等等雷电不易直接击中空间本区域的电磁场没有衰减如大楼顶部避雷针保护范围之内的空间和没有屏蔽的大楼内部或有屏蔽大楼内部的窗口附近LPZ1:雷电不易直接击中,流经各导体的电流比 LPZ0B 小,但电磁场因屏蔽而衰减的空间。
如上述屏蔽大楼内部(不包含窗口附近)LPZn+1:后续防雷区,在上区内,再次屏蔽的空间进一步减小流入的电流和电磁场强度所增设的后续防雷区,并按照需要保护的对象所要求的环境区选择防雷条件4 防雷措施根据以上雷击的入侵方式和雷区的划分,针对不同的特点采取防雷措施在防雷设计中,一般按照三个原则进行防雷:*将大部分雷电电流引入地下,通过地下接地体泄流;*隔断电源线、控制线或通讯线感应的过电压;*采用避雷装置保护设备上的过电压,阻止浪涌的发生依据以上三个原则针对各个防雷区域采取了不同的防雷措施1)避雷带污水厂所有构筑物屋脊和屋顶四周均敷设有避雷带保护同避雷针、避雷线相比,由于避雷带没有高耸的引雷装置,所有引雷的几率大为减少而且它接闪后一般是由多根引下线泄散电流,即每根引下线上的电流大大减少,在室内设备上的反击电压相对较低,产生的感应电磁场强度也相对较小另外,为让产生的电流能快速泄散,均在引下线处设置接地极,并与构筑物的基础相连,引下线可靠地连接到接地极上,尽量减少接地电阻也避免产生很大阻抗耦合效应,减少反击电压避雷带的作用主要是防止直击雷对设备的损害,处于 LPZ0A 区2)共用接地系统现代建筑都是采用钢筋混凝土方式构建,所以内部的钢筋结构可以形成一个很好的接地系统。
将建筑基础内的钢筋,如桩基、底板、地梁等和地面建筑,如梁柱,金属框架与上述的避雷带防雷引下线连接起来,形成闭合的法拉第笼式接地[2]另外,将建筑物内设备的各种接地,如交流工作接地,安全接地,直流接地,防雷接地与形成的法拉第笼式接地连接,消除接地线之间的电位差3)屏蔽系统由于有法拉第笼式接地的保护,在很大程度上减少了感应雷的危害,但仍有一部分电磁场会在导线上,如电源线、控制电缆和通讯电缆产生感应电压因为屏蔽层具有感应电荷集肤效应,所以控制系统中均采用屏蔽电缆敷设,感应雷产生的电压均在屏蔽层上,内部电缆不受影响电缆的屏蔽层均连接到共用接地系统的法拉第笼式接地引出线上,接地电阻很小,感应雷在屏蔽层上产生的感应电流很快就经接地泻散并且建筑的接地采用等电位连接,设备之间没有电位差,不会形成电流4)电源防雷装置在上述防雷措施后进入 LPZ1 区的电流已比较小,但仍然会产生一部分浪涌冲击,对于较为脆弱的电子设备仍然有很大的威胁所以需要将这部分电流抑制进入设备的浪涌电流一般通过电源和信号线两个途径首先必须将电源上的浪涌进行吸收,并通过接地导入接地体由于本厂采用的是 TN-C-S 的电源供电系统,所以针对此系统在各相线上安装浪涌吸收装置(SPD)进行保护,如下图所示:当其中某相因雷击而导致电压升高,浪涌吸收装置(SPD)上的压敏电阻立即导通(Ls 级),通过增大电流,将雷击的电流导入地下,从而抑制相线上的电压增高损坏设备。
浪涌吸收装置设置在LPZ0A、LPZ0B 和 LPZ1 区的交界处,一般设于配电柜内,同时在各分配电箱的输入侧安装 SPD5)通讯防雷装置通讯除了采用屏蔽线连接外,也在其进入通讯设备的两端增加了防雷装置通讯线防雷装置串连安装于线路上,因此在设计时除了考虑到其防雷效果能起到作用外还必须考虑通讯防雷装置与通讯线的匹配问题,所以相对于电源防雷更复杂一些主要考虑的方面有:*电压等级的选择*速率匹配的选择*接口类型的选择所以具体的要根据污水厂现场的通讯情况而定本厂采用的是西门子的 Profibus-DP 现场总线连接各 PLC 进行数据采集根据Profibus-DP 现场总线的特点:基于 RS-485 通讯机制,采用两芯屏蔽双绞线,通讯速率最大为 5Mbps,选择了 OBO 的 ASP-V11E1/4 的防雷器Profibus-DP 网络系统是一张现场总线的拓扑结构,每个节点上都有进出两组网络线,所以需要对两组线路均进行防雷保护一般通讯防雷保护处于 LPZ0~LPZ3 区之间6)控制线防雷控制线的防雷保护主要是用于保护贵重的控制设备(如 PLC 等),所以采用了隔离装置,以牺牲隔离装置换取控制设备安全。
在实际应用中,对于 DI、DO 等数字量点,使用电磁继电器的方式将 PLC 的输入输出和外部信号、执行机构隔离当雷击发生时,在控制线上产生较高的电压,从而产生较大的电流经过继电器外侧的线圈和触点,可能造成继电器的损坏,但由于和控制设备的输入输出点隔离,对输入输出点不造成影响,保护了控制装置另外,在现场设备或执行机构上也采用了继电器隔离的方式也就是说雷击只造成了继电器的损坏,不直接在设备上产生影响相对于设备或控制器,继电器的成本低廉,容易更换对于模拟量 AI、AO 信号等,采用的是三端隔离的隔离变送器即输入、输出和电源均隔离任何一端的损坏均不造成对另一端的影响如图所示在设备端和控制器端均安装模拟量隔离变送器,两端均起到保护的效果隔离变送器处于 LPZ1~LPZ3 区之间5 结语随着科技日新月异,各种设备相继投入使用,随之对防雷的要求越来越高,也需要有更先进的防雷技术出现本文只针对污水处理厂特殊环境进行防雷探讨,对可能出现的雷电入侵做防雷方式的介绍实际应用中需要根据具体的现场情况进行分析,选择可靠的防雷方案和防雷产品,调整对应的防雷方案参考文献[1]GB50057-94,建筑物防雷设计规范[S].国家标准.北京中国计划出版社, 2000 年版,建标[1994]257 号.[2]99D562,建筑物防雷设施安装[S].北京中南建筑设计院主编.中国建筑标准设计研究所出版, 1999.[3]赵家礼,安顺合编著.电工速查速算实用手册[S](2005)第 103118 号.第一版,机械工业出版社出版.。