温泉水乐园中央监控系统防雷保护工程的设计

温泉水乐园中央监控系统防雷保护工程的设计

吴海涛

深圳市极水实业有限公司518057

摘要：阐述了温泉水乐园中央监控系统综合防雷保护设计，并结合实施可靠接地措施，使系统设备免遭瞬时过电压侵害。设计可为温泉水乐园中央监控系统如何防止瞬间过电压侵害提供了实际参考。

关键词：温泉水乐园中央监控系统；防雷保护设计；防雷接地保护

上规模的温泉水上乐园通常采用了由工业计算机IPC及可编程控制器PLC组成的集数据采集、过程控制和信息传送于一体的自动化网络监控系统。

我司承建的某温泉水乐园项目中中央监控系统自运行后，多次在雷雨天气里被破坏，最为严重的一次是2014年8月17日，雷雨天气致使整套系统瘫痪，损坏的设备包括PLC的CPU模块、PLC的AI模块、UPS电源、电磁流量计、水质监测仪及其他监控设备等，通过现场检查确定为雷电产生瞬间过电压所致。为了减少设备损坏、保证系统可靠稳定运行，在逐渐摸索瞬间过电压的产生路径后，我们从防雷保护与正确接地入手，通过对系统进行防雷保护设计并结合实施可靠接地措施，使系统设备免遭瞬间过电压侵害。

1.温泉水乐园中央监控系统防雷保护设计

由于温泉水乐园中央监控系统的所有控制子站均置于建筑物之中，网络线、电源线敷设于电缆沟中，因此，遭受直接雷击的可能性不大，主要是雷电波侵入(感应)。我国的南方雷雨天气多，据资料统计，雷电波侵入(感应)占当地中央监控系统雷击事故原因的97%。由于雷电波侵入(感应耦合)对中央监控系统的破坏主要是通过侵入电源线、天馈线、通信线和信号线而损坏电源模板、通信模板、I/O模板，也可能因感应从信号采集线和接地网引入有害的信号电流和接地电流，破坏中央监控系统或影响其运行，因此，系统防雷保护需从配电系统防雷、自控系统网络线路防雷及建筑物防雷等全方位着手。

（1）自控配电系统防雷

一般，温泉水乐园的配电系统在高、低压进线都已安装有阀型避雷器、ZnO避雷器等避雷装置，但自控设备的电源设备仍会遭受雷击而损坏。这是因为其保护对象是电气设备，而自控设备耐过压能力低，同时这些避雷器启动电压高，且有些有较大的分散电容，与设备负载之间为分流的关系，从而加在自控设备上的残压高，一般为峰值的2～2．5倍(单相残压不低于800V)，极易造成自控设备损坏。此外，较大型设备，如水泵、风机启/停产生的操作过电压也是危害自控系统的重要原因之一。

该温泉水乐园自控配电系统防雷采用分级保护原则。第一级在变压器二次侧，主要泄放外线等产生的过电压，其电流通量大，启动电压高(920～1800V);第二级在各控制站PLC专用隔离变压器前，主要泄放第一级残压、配电线路上感应出的过电压和其他用电设备的操作过电压，其电流通量居中，启动电压居中(470～1800V)(隔离变压器能有效抑制各种电磁干扰，对雷电波同样有效);末级在PLC专用电源模板前，主要泄放前面的残压，使之达到钳位输出。分级保护的各级避雷器应尽量靠近被保护设备，以免雷电侵入波发生正的全反射。各级启动电压可据系统而定，但末级应尽量达到钳位输出。

（2）通信线和天馈线避雷

该温泉水乐园中央监控系统通信线采用特制屏蔽双绞线，安装时穿管直埋或电缆沟铺设，雷电在此处的感应电压不高(1～2kV)。但由于其直接进入PLC或计算机通信口这一薄弱环节，正常电压一般为±(5、12、24、48)V等，故损害也很大。对此，选用避雷器件未采用常规氧化物避雷器，其分布电容大、对高频损耗大，以通信电平和频率或速率来确定。高频信号的用特殊设计的防雷器，以保证阻抗匹配，防止信号反射现象。避雷器靠近通信接口处安装，可减小反射损耗。

温泉水乐园与管委会、温泉供水站等上级部门间为无线通信，对天馈的防雷主要是选用同轴电缆避雷器。由于通信频率与雷电波频率频段相距很远，故可采用高通滤波器把这2种信号分开。

（3）控制室构筑物防雷

由于该温泉水乐园中控室建筑物高度虽低，但地处空旷地区，容易遭受雷击，因此中控室所在构筑物安装有避雷带、避雷网;有天馈线或通信铁塔的位置还安装了避雷针，并置于建筑物避雷网45°内;避雷针及通信铁塔的接地除用建筑物内钢筋结构接地外，还单独铺设引下线引至构筑物接地网。

由于雷电主要通过感应危害自控系统，因此避雷针、带、网的引下线都设有多条，使雷电电流有更多的分流途径，以减小每条线上的泄放电流量，从而降低感应能量;室内计算机、自控设备也尽量远离避雷网导地金属体。

该温泉水乐园自控防雷设计选用OBO系列防雷器，其中OBOV20-C/2-FS带故障遥信触点。过电压电源防雷器指标如表1所示。

2.温泉水乐园中央监控系统接地保护设计

防雷的最终措施是将过电流、过电压泄放到大地中，因此接地尤其重要。可靠的接地保护要求低的接地电阻，同时也满足设备抗干扰的要求。

（1）接地原则

防雷器件是否起作用取决于接地是否可靠。接地系统常称接地装置，接地系统不符合要求主要危害是会产生地反击，一般的地反击是指同一设备或系统同时连接到几个互相没有直接电气连接的地网，当雷击时，各地网之间可能存在较高的电位差，该电位差通过地线直接加在同一设备系统上，该电位差有可能将设备损坏。

该温泉水乐园的接地主要包括建筑物接地、配电系统及强电设备接地、计算机自控系统接地。计算机自控系统是一个特殊用电系统，它包括以下几种接地：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，因此采用联合接地，接地电阻小于1欧。

根据《自控专业工程设计用标准及规范》，低频信号接地原则是单点接地，因此按单接地的原理设计，将所有设备的工作信号地、屏蔽地和防雷地共同合用一组接地体的联合接地。

各设备间的仪表、控制设备先在PLC站设立一个接地网，有水平接地体、垂直接地体、接入引入线、接地汇集线等组成１圈或２圈环形接地装置，然后用接地带将各接地网联接，实现等电位连接。

电气和电子设备的金属外壳、机柜、机架、金属管、槽、屏蔽线缆外层、信息设备防静电接地、安全保护接地、SPD接地端等均应以最短距离与等电位连接网络的接地端子连接。等电位连接端子应与预留的楼层主筋做等电位连接。等电位连接网络的结构可采用S型或M型或两种结构形式的组合型，当信息系统工作频率小于300kHz以下时宜采用S型等电位连接，工作频率大于1MHZ以上时宜采用M型等电位连接。

（2）接地系统设计

接地系统由接地体、接地引入线、接地汇集线等组成。所有的操作台、机柜、端子柜、防水变压器外壳、水下灯外壳、水池扶手、栏杆等正常不带电金属部分，以及电缆的金属护套均做保护接地。保护接地的导线截面积，选用了35-95平方毫米的多股铜导线，保护接地导线就近接至电气安全地网上；屏蔽电缆的屏蔽层，仅在PLC端接地。

①接地体设计

接地体采用镀锌钢材，钢管直径50毫米，壁厚大于3.5毫米；

垂直接地体长度为1.5－2.5米。接地体之间所有焊点，除浇注在混凝土中的以外，均进行防腐蚀处理。接地体埋深，其上端距地面大于0.7米。

②接地引入线

接地引入线长度不超过30米，其材料为镀锌扁钢，截面积大于40毫米×4毫米。接地引入线作防腐、绝缘处理，沟内单独布放。

接地引入线以对称方式由地网就近引入，其中2根与电力室接地汇集线相连，另2根与机房接地汇集线相连。两接地汇集线之间采用截面积大于40毫米×4毫米镀锌扁钢连通。3.2.3接地汇集线接地汇集线设计成环形或排状，材料为铜材，其截面积大于120平方毫米，接地汇集线设在干燥的地槽内。

结语：测试结果表明，该温泉水乐园的自动化中央监控系统基本得到了安全有效防护，两年来未再受雷雨天气影响，一直保持运行良好。温泉水乐园中央监控系统的防雷，应注意电气防雷与接地的综合设计，不应仅从防雷设备上考虑，而是对建筑物、设备及线路等方面采用分级防护。另外尤其需要重视的是接地保护，规范的接地对防雷保护方案起到至关重要的作用，设计合适的线缆布放、屏蔽及接地方式，才能最终消除安全隐患。

参考文献：

（1）水厂自动化系统防雷保护工程的设计_潘冰

（2）水厂自动化系统防雷接地保护工程_汪祁

（3）现代自动化控制系统电源的防雷设计_黄增友

（4）浅谈安全监控系统防雷保护设计方案_俎少娟、李永杰

（5）污水处理厂自动控制系统防雷分析_魏强