工厂自动化系统的防雷应用

章嵘

一、防雷在工厂自动化系统中的重要性

　　随着技术的飞速发展，自动化系统已经在工厂生产过程中普遍使用。在自动化系统中，为了能够通过中控室的上位机监控现场设备的工作状况，这就需要将上位机和现场的执行单元连接起来，构成了一个密集而庞大的自动化执行网络，整个工厂的生产运行就依赖它，如同人对大脑、器官和血液系统的依赖一样。
　　但就是这个自动化网络系统在雷击这种自然危害面前，显得十分脆弱。一个直击雷，或是由于雷击所产生的变化电磁场，都会像病菌一样，沿着这个网络传播至系统的每个监控和执行单元，并摧毁它，而使整个系统处于瘫痪之中。
　　我们可以亲身感受到，随着自动化系统的普及，防雷已经被越来越多的人重视，国家也在出台相关的标准，以建立完善的防雷保护系统。

二、如何建立完善的防雷系统

　　由于我常年从事水厂自动化系统的建设工作，也经常遇到和听到雷击对设备的损坏，因此我查阅了国内和国外的相关书籍和标准，了解防雷的原理和具体措施。
　　依据GB7450-87（电子设备雷击保护导则），对电子设备的雷电危险源有以下三种：
　　直击雷：雷电直接击中线路并沿导线或电缆流过大量的雷电流，持续时间达若干微秒，使线路设备有实质性的破坏，还可以引起几千伏的过电压直接加到线路装置和终端设备上。
　　直击雷的能量和破坏力相当巨大，但其遭受概率是有限的。
　　感应雷：通过雷云之间或雷云对地的放电，在附近的架空线路、埋地线路、钢轨或类似传导体上产生的感应过电压。
　　感应雷的破坏力没有直击雷那么大，但其影响的范围和遭受的概率却十分大。
　　地电位升：雷电流通过接地装置流入大地所引起大地电位的升高，危害设备对地的绝缘。
　　而整个防雷保护系统如图一。
　　图一：

外部防雷系统

　　外部防雷系统包括接闪器、引下线、接地装置，接闪器包括避雷针和拦截带。其作用是通过接闪器拦截雷电流，然后通过引下线将雷电流引入接地装置，以避免雷电流直接击中建筑物，引起火灾或损坏。
　　外部防雷系统，虽然能够拦截住一定的雷电流，但是它不能阻止引入建筑物的导线上所携带的浪涌电流，以及因感应雷所产生的巨大变化的电磁场和地电位反击，对建筑物内部电气设备的损坏，因此，一个完善的防雷系统还应包括内部防雷系统。
　　内部防雷系统
　　内部防雷系统包括电磁屏蔽、等电位连接、共用接地，系统和浪涌吸收保护器这四个子系统。通过这四个子系统可以将引入建筑物内的浪涌电压和浪涌电流泻放到大地，并将其钳位在一定的电压范围内，以完善地保护电气设备，图二是内部防雷系统的示意图。
　　图二：

　　结合以上内容，我对整个自动化系统的防雷保护系统总结下来，其主要措施有以下几点：
　　1，首先要建立很好的外部防雷系统，也就是安装接闪器和拦截带等，以保证直击雷不会直接击中建筑物或设备。
　　2，对于出室外的长距离导线（电源、信号、控制），应尽可能采用屏蔽系统，并和设备的屏蔽和接地做到良好的等电位连接。
　　3，对于出室外的长距离导线（电源、信号、控制），如果其两端安装的是电子设备，就必须在最接近被保护设备的地方安装合适的防雷器。
　　4，对于室内的长距离导线（电源、信号、控制），如果其两端安装的是电子设备，也应尽可能在最接近被保护设备的地方安装合适的防雷器。

三、 应用实例

　　结合以上的防雷措施，我们在杭州七格污水处理厂（日处理40万吨）的设计初期，就提出防雷的要求，并针对水厂自动化系统的特殊性，选择专业的防雷产品。
　　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，如图三。
　　图三：

　　整个自控的防雷系统分为，中控室、PLC站和现场仪表的保护。
　　由于中控室和PLC站在整个系统中十分重要，所以我在选择防雷器时，在资金允许的前提下，要求尽可能使用高能量的防雷器，分别对系统的电源、现场总线和4～20mA模拟量进行保护。
　　在电源部分我们采用达到Imax:100KA (10/350us)的防雷器，要求残压低于1500V，对于现场总线和模拟量的防雷器我们均要求达到Isn:20KA(8/20us)，并要求其残压低于100V。所有的防雷器外壳材料要求阻燃防潮，外观设计应符合国际标准，便于安装在35mm导轨上。
　　而对于现场仪表等设备，由于数量较多，从资金的角度考虑，在电源部分予以适当降低，采用Isn:20KA(8/20us)的防雷器，其它信道部分防雷器的要求不变。
　　由于整个系统在总线方面采用Profibus，所以在选择防雷器时，我们还注意了防雷器对网络通信的影响。由于Profibus的最高传输速率可以达到1MHz，而线地电压只有5V。这就要求防雷器的选型既要采用低工作电压，又要求有较宽的带宽。
　　然后，我们对目前市场上的防雷器予以选择和比较，最后在电源部分和总线部分采用了德国DEHN的防雷器，满足了我们对电源防雷器在性能和外观上的要求。
　　在4～20mA模拟量上的防雷，我们采用了上海深恩SUM的防雷器，其产品从性能和外观上都可以达到我们的要求，而且价格合适，比较适合应用在大量使用防雷器的场合。
　　最后，我们对防雷器的安装也提出了具体的要求，对于需要安装在室外的防雷器，我们均要求安装了汉森的电气箱，防护等级达到IP65，且前面有可视窗口，可以不用开箱，就可以检查防雷器的好坏。
　　在此，我提供了自控防雷系统中的某个现场站的配置图，见图四。
　　图四：

　　此外，整个工厂的弱电系统中除了自控系统外，还有CCTV监控系统，也是极易遭受雷击损坏的系统，限于篇幅的原因，不在这里详述，见图五。
　　图五：

　　所有这些系统在2003年年初，安装完毕。由于我厂地处杭州钱塘江边，属于雷雨多发地区，但从建成至今，没有发生因雷击造成的损失，所以在此介绍给大家，供大家参考，如有不足之处，请多多指教。

作者单位：杭州市七格污水处理厂工程建设指挥部
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