電廠儀控系統(tǒng)接地防雷研究與探討

孫永行

摘要：目前隨著在運(yùn)電廠逐年增多，遭受雷擊引發(fā)生產(chǎn)事故現(xiàn)象多有發(fā)生。雷擊通過引入強(qiáng)電流，對設(shè)施供電及控制系統(tǒng)影響較大，波及范圍廣，造成破壞嚴(yán)重。隨著科學(xué)技術(shù)水平的提升，對戶外設(shè)施防雷技術(shù)的研究逐漸成熟，本文通過對電纜不同的接地端接方式防雷原理的研究，提出防雷方案及SPD浪涌保護(hù)器布置的建議方案，以期對后續(xù)電廠防雷設(shè)計(jì)方面提供參考。

關(guān)鍵詞：防雷;儀控系統(tǒng);SPD浪涌保護(hù)器

1屏蔽層兩端接地的防雷原理

1.1屏蔽層兩端接地且兩端等電位

當(dāng)屏蔽層兩端接地時(shí)，屏蔽層形成了一個(gè)閉合回路，雷擊時(shí)產(chǎn)生的瞬間磁場（原磁場）會(huì)在屏蔽層回路和電纜內(nèi)的芯線回路內(nèi)分別產(chǎn)生感應(yīng)電流Is和Ie。這兩個(gè)電流是同相的。屏蔽層將電纜內(nèi)的芯線全部包繞，故其回路電流Is又會(huì)產(chǎn)生二次磁場，于是在電纜內(nèi)的芯線回路上又會(huì)感應(yīng)出二次電流Isc，Isc和Ie的相位角相差約180°。因此，Isc和Ie近于抵消。此為屏蔽層兩端接地的屏蔽原理。實(shí)踐證明它對抑制發(fā)生在電纜鄰近區(qū)域內(nèi)的電磁感應(yīng)是很有效用的。

二次電流Isc能否抵消一次電流Ie取決于屏蔽層的阻抗，為了取得良好的屏蔽效果，屏蔽層宜每隔30米設(shè)一個(gè)接地點(diǎn)，接地點(diǎn)與接地點(diǎn)之間的距離愈短，屏蔽效果愈好，直至將屏蔽層埋地（或?qū)㈦娎|穿金屬管埋地），屏蔽效果最好。

1.2屏蔽層兩端接地但兩端不等電位

當(dāng)屏蔽層兩端接地點(diǎn)之間存在著很大的共模電壓（地電位差）時(shí)，會(huì)在屏蔽層里形成一個(gè)很大的附加電流If，該電流的方向取決于地電位差的方向。

如其中一個(gè)接地端位于接地引下線處，設(shè)雷電流為100kA，接地電阻為1歐，因雷電流系電流源，故該地電位將升高100kV;假如屏蔽層另一個(gè)接地點(diǎn)的電位為0v，則該地電位差會(huì)在屏蔽層里產(chǎn)生很大的附加電流If，由附加電流If在芯線回路內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流足能將設(shè)備損壞。

此為雷擊造成設(shè)備損壞的主要原因。

2實(shí)施方案設(shè)想

通過對電纜屏蔽層接地方式探討，并采用目前較為成熟的SPD浪涌保護(hù)器進(jìn)行保護(hù)。在戶外儀器儀表端及室內(nèi)信號(hào)采集柜間增加防雷裝置，將室外電纜的屏蔽層由兩端接地改為單端接地，接地點(diǎn)位于室內(nèi)信號(hào)采集機(jī)柜側(cè);中間采用SPD浪涌保護(hù)器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)接。

浪涌保護(hù)裝置的作用有兩個(gè)：

（1）泄流。把入侵的雷電流分流入地，讓雷電的大部分能量泄入大地，使雷電電磁脈沖無法達(dá)到或僅極少部分到達(dá)電子設(shè)備;

（2）限壓，在雷電過電壓通過電源線入戶時(shí)，在浪涌保護(hù)器兩端保持一定的電壓（殘壓），而這個(gè)限壓又是電子設(shè)備所能接受的。這兩個(gè)功能同時(shí)作用，即在分流過程中達(dá)到限壓，使電子設(shè)備受到保護(hù)。

2.1方案評估

1、將外部信號(hào)電纜的屏蔽層由兩端接地改為一端接地，改變了電纜的屏蔽功能，即兩端接地是抑制電感性（磁場）偶合，一端接地是抑制電容性（電場）偶合。在雷擊時(shí)，電容性耦合與電感性偶合同時(shí)存在，但電感性偶合的威脅更大。建議在電纜外部敷設(shè)進(jìn)入室內(nèi)前至少15m的地方穿金屬管埋地敷設(shè)，可更好的抑制電感性耦合。

2、在機(jī)柜側(cè)設(shè)置防雷裝置，可以抑制由于雷擊在電纜中造成的雷電波（包括過電壓與過電流），從而保護(hù)柜內(nèi)的設(shè)備。

2.2浪涌保護(hù)器（SPD）的參數(shù)選擇

1、最大持續(xù)運(yùn)行電壓指“允許持續(xù)施加于SPD端子間的最大電壓，而此時(shí)SPD不動(dòng)作”。所以，Ue的選擇應(yīng)按信號(hào)采集直流電源可能出現(xiàn)的最大值考慮。如直流電源電壓可能出現(xiàn)的最大值小于28V，則可按中科華Ue的選擇考慮。

2、防雷裝置中應(yīng)設(shè)置兩個(gè)熱敏電阻以保護(hù)直流電源。該熱敏電阻的阻值再疊加接受端的信號(hào)轉(zhuǎn)換電阻后，應(yīng)處于儀器儀表的驅(qū)動(dòng)能力范圍內(nèi)。

3、對保護(hù)24VDC工作電壓的儀表或卡件，SPD的電壓保護(hù)水平Up-般應(yīng)小于60V，即Up加上SPD兩端引線上的感應(yīng)電壓（總稱“殘壓”）應(yīng)小于被保護(hù)儀表端口所能承受電壓的0.8。

4、SPD的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于5u。

2.3浪涌保護(hù)器（SPD）的安裝要求

SPD的安裝應(yīng)注意如下兩點(diǎn)：

◆SPD應(yīng)安裝在被保護(hù)設(shè)備的前端，并與其它電氣設(shè)備保持一定的距離。

◆導(dǎo)線連接的SPD其兩端連線的總長度不宜超過0.5m。

之所以規(guī)定兩端連接線長度不宜超過0.5m，可降低雷電流通過引線上的時(shí)間，從而提高SPD的保護(hù)安全性能。因?yàn)殡娎|介質(zhì)存在著分布電容和分布電感。按行波理論，雷電流在電纜中的傳輸速度一般認(rèn)為是空氣中光速的二分之一，即1.5×108m/s。在該速度下，雷電流通過0.5m長導(dǎo)線的時(shí)間可達(dá)3.4ns，故連接線太長將影響SPD的響應(yīng)時(shí)間。

另外該布置可減小線路殘壓。

3方案推薦

根據(jù)分析，最優(yōu)方案為將外部信號(hào)電纜的屏蔽層由兩端接地改為在信號(hào)采集機(jī)柜側(cè)接地，并在外部電纜進(jìn)入室內(nèi)前至少大于15m的地方穿金屬管埋地敷設(shè);并在機(jī)柜側(cè)以及信號(hào)采集儀器儀表側(cè)均設(shè)置浪涌保護(hù)器（SPD）。

因防雷裝置為墻掛式，裝設(shè)在信號(hào)采集機(jī)柜外，故必須要滿足《GB50343建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》第5.4.3規(guī)定：“浪涌保護(hù)器連接導(dǎo)線應(yīng)平直，其長度不宜大于0.5m”。

為考慮保護(hù)室外現(xiàn)場的信號(hào)采集儀器儀表，也應(yīng)在信號(hào)采集儀器儀表側(cè)設(shè)置浪涌保護(hù)器（SPD）。

4技術(shù)延展

雷擊事故是低概率事件，也許還有許多雷害隱患未暴露，故建議對電廠進(jìn)行雷電風(fēng)險(xiǎn)評估，除了進(jìn)行現(xiàn)場測試和計(jì)算外，應(yīng)查找還存在的雷害隱患。

另可增設(shè)電廠雷電預(yù)警系統(tǒng)以確保整個(gè)廠區(qū)的安全，整個(gè)場區(qū)僅需設(shè)置一套雷電預(yù)警系統(tǒng)即可。

所謂雷電預(yù)警系統(tǒng)是在雷擊發(fā)生前的10-30分鐘左右發(fā)出警告信號(hào)，提請并告知相關(guān)人員采取適當(dāng)?shù)姆览状胧?，以防止重大防雷事故的發(fā)生。其基本原理是監(jiān)測雷云產(chǎn)生的靜電電場強(qiáng)度的變化來預(yù)測是否即將有雷擊發(fā)生。

每個(gè)預(yù)測探頭的報(bào)警范圍可以遠(yuǎn)達(dá)3km。

該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

1.通過雷電預(yù)警功能模塊，實(shí)現(xiàn)雷暴的提前預(yù)報(bào)，可以根據(jù)自身需求，調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和切換供電電源（如斷開市電，采用UPS供電）;

2.通過數(shù)據(jù)庫累積，可在運(yùn)行一定時(shí)間后，找出防雷措施的側(cè)重點(diǎn)，如需要重點(diǎn)保護(hù)的區(qū)域或重點(diǎn)保護(hù)的設(shè)備;

3.通過雷擊計(jì)數(shù)模塊指示，可在必要的次數(shù)后對浪涌保護(hù)器進(jìn)行老化檢測并及時(shí)更換，可以讓防雷保護(hù)從不間斷;

4.雷電預(yù)警數(shù)據(jù)可接入到全廠的信息化管理系統(tǒng)，提供精細(xì)化管理數(shù)據(jù)，也可以接入過程監(jiān)控系統(tǒng)。