南寧給水所防雷技術(shù)

莫小強(qiáng)

（南寧鐵路局建設(shè)管理處，工程師，廣西 南寧 530003）

南寧供電段南寧給水所位于邕江邊，日供水量約2.5萬t，擔(dān)負(fù)南寧鐵路地區(qū)的運(yùn)輸生產(chǎn)、生活和消防給水。2003年以來，該給水所先后采用了變頻恒壓供水系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)備所采用的高度集成化CMOS電路和CPU單元，都由精密的儀器等設(shè)備構(gòu)成，對瞬間過電壓的承受能力很低，在雷雨天氣時常被雷擊壞。據(jù)分析，自動化系統(tǒng)設(shè)備損壞的主要原因是雷電感應(yīng)浪涌電壓造成。雷電波感應(yīng)對自動化系統(tǒng)的破壞，主要是通過侵入電源線、通信線和信號線而損壞電源、通信和信號系統(tǒng)?？梢?，要有效地做好供水自動化系統(tǒng)的雷電防護(hù)，應(yīng)從整個配電電源、通信、信號系統(tǒng)等幾個方面入手，采取先進(jìn)的防雷技術(shù)，進(jìn)行全方位的防雷保護(hù)。

1 電源防雷

1.1 雷害的產(chǎn)生 南寧給水所避雷針在攔擊大電流（一般超過40 kA）并經(jīng)引下線入地的過程中，在附近輸電線路上形成雷電沖擊波，其能量容易與工頻回路耦合。雷電沖擊波從配電線路進(jìn)入自控設(shè)備的電源模塊。雖然配電系統(tǒng)在高低壓進(jìn)線處都已安裝氧化鋅避雷裝置，但是這些避雷器啟動電壓高并有較大的分散電容，與設(shè)備負(fù)載之間成為分流的關(guān)系，加在自控設(shè)備上的殘壓很高，至少高于避雷裝置的啟動電壓，一般為峰值的2～2.5倍（單相殘壓不低于0.8 kV），極易造成自控設(shè)備損壞。因此，必須通過配電柜的電源防雷器，對通過電源初級防雷器的雷電能量進(jìn)一步泄放，將幾千伏的過電壓進(jìn)一步限制在1 kV左右。

1.2 電涌保護(hù)器的選擇 電源避雷器應(yīng)根據(jù)電源線前端所處防雷區(qū)的不同進(jìn)行選擇。若處LPZ0區(qū)，則應(yīng)選擇開關(guān)型電涌保護(hù)器。是否加裝下一級電涌保護(hù)器，需根據(jù)防雷區(qū)的分布即上一級保護(hù)器的殘壓確定。對電源電涌保護(hù)器的選擇，還應(yīng)考慮以下技術(shù)參數(shù)：

1）反應(yīng)時間。避雷器的反應(yīng)必須比電涌的速度快，一般在納秒級，且均符合技術(shù)要求。

2）一次處理的最大電流。最大電流（即峰流）是指避雷器的處理最大電流的能力。

3）吸收能量的能力。避雷器吸收能量的能力越高，避雷器的使用壽命越長。

4）鉗制電壓的能力。將過電壓鉗制在電器設(shè)備所能承受的安全范圍之內(nèi)的能力。

5）體積的大小。避雷器體積越小，電感也越小，防護(hù)效果也就越好。

1.3 電涌保護(hù)器的安裝

1.3.1 安裝位置 電源電涌保護(hù)器宜安裝在各防雷分區(qū)的交界處。具體安裝位置要求如下：

1）在LPZ0A區(qū)和LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)交界面處連續(xù)穿越的電源線路上，應(yīng)安裝符合一級分類試驗的電涌保護(hù)器。如一級、二級泵房總電源進(jìn)線配電柜內(nèi)，配電變壓器的低壓側(cè)主配電柜內(nèi)。

2）在LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)交界面處穿越的電源線路上應(yīng)安裝符合二級分類試驗的電涌保護(hù)器。如沉淀池、過濾池的電源配電柜內(nèi)。

3）當(dāng)電源進(jìn)線處安裝的電涌保護(hù)器的電壓保護(hù)水平，加上其兩端引線的感應(yīng)電壓保護(hù)不了該配電箱供電的設(shè)備時，應(yīng)在該級配電柜安裝符合二級分類試驗的電涌保護(hù)器。其位置一般設(shè)在LPZ1區(qū)和LPZ2區(qū)交界面處。如中控室、軟啟動器、變頻器控制室的配電柜內(nèi)。

1.3.2 接線要求 電源電涌保護(hù)器應(yīng)并聯(lián)安裝在各系統(tǒng)設(shè)備所在的配電柜電源進(jìn)線處。當(dāng)安裝在裝置的電源進(jìn)線端或其附近時，接線要求如下：

1）當(dāng)在電源進(jìn)線端，中性線與PE（保護(hù)線）直接相連或沒有中性線時，接在每一線與總接地端子或總保護(hù)線之間，取其路徑最短者。

2）當(dāng)在電源進(jìn)線端，中性線與PE（保護(hù)線）不直接相連時，有2種接線方式。

方式1：接在每一相線與總接地端子或總保護(hù)線之間和接在中性線與總接地端子或總保護(hù)線之間，取其路徑最短者。方式2：接在每一相線與中性線之間和接在中性線與總接地端子或總保護(hù)線之間，取其路徑最短者。

1.3.3 具體實(shí)施 在一級、二級泵站的三相動力電源處安裝AM1-80/3+NPE低壓配電系統(tǒng)電涌保護(hù)器，作為一級、二級泵站電源的總體保護(hù)。此電涌保護(hù)器具備80 kA的雷電流泄放能力，適用于三相電源系統(tǒng)的第一級防雷（如圖1）。

圖1 一級、二級泵站電源電涌保護(hù)器安裝示意圖

在一級、二級泵站軟啟動器、變頻器，投礬系統(tǒng)的變頻器電源進(jìn)線處，分別安裝AM2-40/3+PE低壓配電系統(tǒng)電涌保護(hù)器，作為軟啟動器、變頻器的電源防雷保護(hù)。此電涌保護(hù)器具備40 kA的雷電流泄放能力，適用于三相電源系統(tǒng)的第二級防雷（如圖2）。

在一級、二級泵站，沉淀池、過濾池的PLC電源進(jìn)線處安裝AM2-40/1+NPE低壓配電系統(tǒng)電涌保護(hù)器，作為PLC的電源防雷保護(hù)。此電涌保護(hù)器具備40 kA的雷電流泄放能力，適用于單相電源系統(tǒng)的第二級防雷（如圖3）。

圖2 軟啟動器、變頻器電涌保護(hù)器安裝示意圖

圖3 投礬、加氯系統(tǒng)PLC電涌保護(hù)器安裝示意圖

2 通信信號防雷

2.1 雷害的產(chǎn)生 在雷擊發(fā)生時，產(chǎn)生巨大瞬變電磁場，在1 km范圍內(nèi)的金屬環(huán)路，如網(wǎng)絡(luò)線、電話通信線路、視頻監(jiān)控線路等都會感應(yīng)到雷電，將會影響各系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至徹底破壞各系統(tǒng)的重要電子設(shè)備。南寧給水所自控系統(tǒng)通信線采用特制屏蔽雙絞線，在安裝時都是穿管直埋（或電纜溝）鋪設(shè)，雷電在此處的感應(yīng)電壓不高，一般為1～2 kV，但由于其直接進(jìn)入PLC或計算機(jī)通信口這一薄弱環(huán)節(jié)（正常電壓一般為正負(fù)5 V，12 V，24 V，48 V等），足以一次性破壞網(wǎng)絡(luò)。即使不能一次性破壞設(shè)備，但每一次的過電壓沖擊都會加速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的老化，影響數(shù)據(jù)的傳輸和存儲，直至網(wǎng)絡(luò)設(shè)備徹底損壞。

2.2 電涌保護(hù)器的選擇 計算機(jī)數(shù)據(jù)交換或通信頻率在0～50 MHZ之間，在選用信號電涌保護(hù)器時，主要根據(jù)工作電壓、工作頻率和允許最大信號衰減值等技術(shù)參數(shù)確定。

2.3 電涌保護(hù)器的安裝

2.3.1 安裝要求 電涌保護(hù)器應(yīng)并聯(lián)安裝在各系統(tǒng)重要電子設(shè)備所在的配電柜通信、信號進(jìn)線處，同時應(yīng)靠近通信、信號接口處安裝，以減小反射損耗。對于需要將瞬態(tài)過電壓限制在特定水平的信息系統(tǒng)設(shè)備，應(yīng)考慮在該設(shè)備前安裝符合三級分類試驗的電涌保護(hù)器，安裝位置一般設(shè)在LPZ2區(qū)和其后續(xù)防雷區(qū)交界面處。

2.3.2 具體實(shí)施 在一級、二級泵站，投礬、加氯間，沉淀池、濾池、中控室工控機(jī)相應(yīng)的模擬信號輸入端，各安裝1套SR-E06V/2S模塊化通信信號電涌保護(hù)器（如圖4），作為通信信號的防雷保護(hù)。此電涌保護(hù)器額定電壓6 V，最大通流容量10 kA，最大傳輸速率2 m/s。

圖4 通信信號電涌保護(hù)器安裝示意圖

3 接地裝置

防雷系統(tǒng)必須有可靠的接地裝置。防雷的最終措施是“泄放”，用等電位連接導(dǎo)體或電涌保護(hù)器將分開的電器裝置、諸導(dǎo)電物體連接起來，以減少雷電流在它們之間產(chǎn)生的電位差。

3.1 一般要求 接地系統(tǒng)的關(guān)鍵是地下的接地裝置，這經(jīng)常成為建立有效接地系統(tǒng)的最大難題。要提供最小而又能長期保持的低阻抗對地泄流，應(yīng)考慮諸如土壤條件、接地裝置與土壤的接觸面、接地裝置的長期效果（壽命）等因素。自控系統(tǒng)的防雷接地裝置必須與強(qiáng)電系統(tǒng)及構(gòu)筑物的接地裝置分開，間距不小于20 m，以減少電磁干擾對自控設(shè)備的影響。接地電阻不得大于2Ω。

3.2 具體實(shí)施 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況并經(jīng)電阻測量，南寧給水所一級和二級泵站配電柜、投礬和加氯間、中控室建筑物既有接地極都能滿足防雷系統(tǒng)接地裝置的要求。因此，一級和二級泵站防雷接地均利用配電柜既有接地極作為防雷接地極，投礬和加氯間、中控室防雷接地均利用建筑物既有接地極作為防雷接地極，沉淀池和過濾池防雷接地均利用池體的鋼筋主體作為防雷接地極。連接導(dǎo)線采用銅芯導(dǎo)線或電纜，截面積不小于電源的相線，一般為16 mm2。

3.3 運(yùn)行維護(hù) 每年雷雨季節(jié)前應(yīng)對接地系統(tǒng)進(jìn)行檢查和維護(hù)。主要檢查連接處是否緊固，接觸是否良好，接地引下線有無銹蝕，接地體附近地面有無異常。必要時，應(yīng)挖開地面抽查地下隱蔽部分銹蝕情況，如果發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時處理。接地極的接地電阻每年應(yīng)測量1次，若大于2Ω要進(jìn)行處理。

4 結(jié)束語

南寧給水所在安裝防雷系統(tǒng)之前，雷暴天氣時配電柜經(jīng)常跳閘，導(dǎo)致出水泵房突然失電，給水所自動化系統(tǒng)的通信接口也屢遭擊壞，致使自動化系統(tǒng)癱瘓，嚴(yán)重影響給水所安全供水。自從安裝防雷系統(tǒng)后，其在雷暴天氣經(jīng)受了考驗，取得了理想的效果。近2年來，整個系統(tǒng)未再發(fā)生因雷擊而造成自動化系統(tǒng)癱瘓和停水事故，保證了安全供水。同時，南寧給水所防雷系統(tǒng)的成功安裝，為南寧供電段其他自動化給水所的防雷工作提供了經(jīng)驗。