李炳举

摘要：随着我国社会经济和科学技术的进步，各行业和各领域的发展速度都十分迅速，自动化控制系统也在工厂里逐步得到了广泛应用。目前工厂的自动化控制普遍采用由工业计算机IPC或可编程控器自动化组成的集数据采集、过程控制和信息传送于一体的监控网络。雷电是自然界中一种常见的现象，结合实际工作情况可以发现，雷电对自动化控制系统有着很大的威胁，由于自动化控制系统的连通性，往往对整个系统内自动化控制模块、相关的监测仪表以及变频器控制的机电设备造成极大的破坏和影响。一旦发生了这种情况，必然会对工厂的生产造成不利影响。因此，不断深化对自动化控制系统防雷技术的研究，使其防雷性能更加强大，防护范围更加广泛，这对自动化控制系统的发展和应用都有着及其重要的意义和作用。文中首先对雷电的入侵途径进行说明，分析了自动化控制系统中防雷部件的选择，并对这些部件的具体应用实例进行了阐述。最后结合实际工作经验，对自动化控制系统在应用过程中易受雷电的损害进行了分析，并提出有效的防雷保护措施。

关键词：工厂自动化控制系统;防雷技术;防雷保护

中图分类号：TP391

文献标识码：A

文章编号：2095-6487（2019）03-0047-03

0引言

近年来，随着自动化控制系统在工厂的普及，保障整个系统稳定运行尤为重要，其中雷电危害对自动化控制系统稳定运行影响最大，所以自动化控制系统要有完善的防雷保护。

1自动化控制系统防雷概述

1.1雷电对自动化控制系统造成危害的途径

（1）直接雷击：直接雷击是指雷电直接击中现场自动化控制系统设备或与之连接的管路并在设备上产生强加热效应和电动力作用，损坏自动化控制系统的控制模件及相关的电子线路。一般情况下因工厂在设计时防雷保护都比较完善，因此发生直击雷损坏设备的情况比较少见。

（2）感应雷击：雷电流产生的静电感应作用和电磁感应作用如果进入现场自动化控制系统和用电设备，就会造成设备损坏。

（3）雷电过电压：其产生的雷电波可能沿着金属导体、管道，特别是沿天线或架空电线将高电位引入自动化控制系统，并对系统造成干扰和破坏。

（4）反击雷：防雷装置在接闪时，强大的瞬间雷电流通过引下线流入接地装置，由于大地电阻的存在，雷电电荷不能快速向大地泄放，必然会引起局部地电位上升（可能达到上百千伏），如果自动化控制系统的接地体与该点没有足够安全距离，它们之间就会产生放电，造成反击电流，可直接击穿设备的绝缘部分，会对自动化控制系统产生干扰乃至损坏设备。

2自动化控制系统的防雷措施

2.1工厂供电系统的防雷措施

首先做好工厂供电系统的防雷才能为厂区内自动化控制系统的安全打下良好的基础，这里对工厂供电系统的防雷措施做一简单介绍。如工厂供电系统、配电室、建筑物等。

工厂供电系统可使用浪涌保护器进行分级保护，必要时可采用双电源供电回路和自动重合闸装置。

工厂配电室的防雷：对直击雷的防护，主要是安装避雷针或避雷线。对线路侵入冲击波的防护，可以在高压电源进线端安装阀型避雷器。配电室防雷多采用进线段保护。工厂建筑物的防雷多采用对低压架空线的进线进行处理，如进户处绝缘子的铁脚接地。也可装设低压阀式避雷器或放电间隙。采用电缆进线则可以从架空线上转换一段有金属外皮的电极埋地引入供电系统。

2.2自动化控制系统防雷措施

一个有效的防雷系统，至少包括外部、内部和过电压防护等三个方面，而正确的连接和接地则是各个方面中的关键环节。防雷保护的一个重要的方面是接地以及引下线路的布线。防雷系统的接地主要由接地体、连接线组成接地网络，其中影响接地效果的几个因素有电阻率、接地体的选择、接地材料的防腐和合理的规划接地网络。

2.3厂建筑物、供电系统及自动化控制系统的防雷接地保护

防雷接地一般分为防雷接地，防止因雷击而造成损害。静电接地，防止静电产生危害。

（1）建筑物防雷一般采用整体结构防雷，如主厂房防雷，主要基础要做接地极和接地带，形成一个接地网，接地电阻应小于10。再与主厂“房的钢筋或钢构的主体连接。水泥混凝土屋顶接避雷带或避雷针，墙外地面必须留有接地测试点，以便进行接地电阻阻值的测量。钢构应用镀锌扁钢直接引到屋顶。

（2）供电系统接地一般分为保护接地和工作点接地，保护接地是带电设备外壳接地。工作點接地指零线接地，接地网做法与避雷接地方式一样，接地电阻应小于4欧。如低压电气系统接地采用TN一S接地系统，零地线必须分别采用独立的线路。每个建筑物进户线处要设置重复接地。对于不带电的电气设备的金属外壳，都应与专用接地线（PE线）作可靠连接。

（3）自动化控制系统接地系统。该系统接地电阻则需小于1欧，一定要注意不能与防雷接地连接。自动化控制系统防雷接地设计时需要注意两方面的防护：一是要注意雷电的反击，要消除反击现象，通常采取两种措施：先作等电位连接，用金属导体将两个金属导体连接起来，使其接闪时电位相等。同时两者之间必须保持一定的距离。二是要注意感应雷的防护，对雷电流进入建筑物的各类金属管、线上所产生雷电脉冲要起到限制作用，从而保护建筑物内人员及各种电气设备的安全。应根据各种设备的具体情况采取措施，除了要有良好的接地和布线系统，并保持安全距离外，还要按供电线路，各类线缆的情况安装对应规格的避雷器、浪涌保护器以及采取必要的屏蔽措施。

2.4自动化系统防雷主要是供电电源防雷和通讯信号线防雷

供电电源的防雷保护多采用的是阀型避雷器，可以多次反复防雷，但是强雷电通过后需要检验或更换。PLC模块及通讯信号的防雷包括RS485防护、RS232防护、4-20mA的防护电路等。文中主要针对常用的浪涌保护器做一简单介绍：

浪涌保护器，也叫防雷器，是一种为各种电子设备、自动化控制系统、通讯线路提供安全防护的电子装置。当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。如大家所熟知的在2011年7月23日发生的动车事故，就是因为雷击造成温州南站的铁路通信信号电缆上产生浪涌电压，并在多次雷击浪涌电压和直流电流共同作用下，列控中心设备采集驱动单元采集电路电源回路中的保险管F2熔断，使信号显示错误，是发生此次事故的主要原因之一。所以目前条件下，合理的选择和使用浪涌保护器可以对自动化控制系统进行有效防雷保护。

2.4.1浪涌保护器（SPD）工作原理与分类

浪涌保护器是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，英文简写为SPD。浪涌保护器按工作原理通常分为三种：开关型、限压型、分流型或扼流型。浪涌保护器按保护对象通常分为信号防雷器如网络信号防雷器、视频信号防雷器、音频信号防雷器、控制信号防雷器和串口信号防雷器等。电源浪涌保护器分为第一级浪涌保护器、第二级浪涌保护器、第三级浪涌保护器。其他还有天馈线防雷器、光伏直流防雷器以及用于监控系统防雷的二合一、三合一防雷器等。

2.4.2浪涌保护器对电源的分级防护与选型

为达到更好的防雷保护效果应准确的选用浪涌保护器的型号、规格，并对工厂供电系统和自动化控制系统的电源及设备进行分级保护。

（1）第一级浪涌保护器用于直接雷击电流的泄放。应选取冲击电流应取等于或大于12.5kA的产品。

第二级浪涌保护器是针对前一级的残余电压以及对区域内可能遭受感应雷击的设备采取进一步防护。第二级可选用最大通流容量40-100kA，标称通流容量为20-50kA的产品。

第三级浪涌保护器是对雷电的电磁脉冲和通过第二级

压的值降低到1000V以内，使残余浪涌的能量不致于损坏设备。通常安装在自动化控制系统交流电源的进线端。可选以下的产品。

根据被保护设备的耐压等级，一般两级浪涌保护器就可以很好的保护效果。假如设备的耐压水平较低，就可能需要采取三级及以上的保护。需要注意的是装了浪涌防雷器的自动化控制系统还是会发生被雷击损坏，因为浪涌保护器只能抵抗一次雷击，当被雷击中失效以后需及时更换。否则无法再用于保护设备。

3自动化控制系统防雷技术污水处理厂应用实例

3.1工程概况

准旗污水处理厂承担着准格尔旗薛家湾地区全部生活污水处理任务，是市政重要的环保企业。污水处理厂的位置地势较高且处于相对偏僻的地区，容易受到雷电的袭击，而且污水处理生产过程的自动化程度也较高，如果受到雷电的袭击，必然会导致自动化控制系统和相关的在线监测仪表的损坏，因此，在污水处理厂建设和运行过程中，应注意对自动化控制系统和设备的防雷措施的选择和应用，以提高污水处理厂的整体防雷效果。

污水处理厂全厂约有20多个构筑物。其中关键设备有600多台，其中80%为各类闸阀、泵机，整套工艺经由上位机、PLC系统进行中央集中控制。

3.2自动化控制系统防雷设计范围及原则

工业控制计算机的防雷：工业控制计算机与PLC模块直接相连，并通过中控室的网络柜完成数据处理。其防雷措施包括：首先做好防雷接地处理，工业控制计算机和PLC柜就近接地。另外需要在工业控制计算机和PLC柜前端配电箱安装带浪涌保护器保护的电源装置，信号进线端安装RJ45接口的网络信号防雷器等。

PLC模块的防雷：据测算污水处理厂内建筑物的年预计雷击次数一般不高于0.25次/a，故可按三类防雷建筑物考虑。所以PLC模块也应按“三类”防雷要求选型。为进一步提高系统的可靠性和稳定性，在系统中加入隔离继电器对所有的DO/DI模块进行防雷隔离，同时在系统中加入浪涌保护器对所有的AO/AI模块进行防雷保护。

3.3自动化控制系统在防雷保护措施不完善情况下受到的损害

因污水处理厂从1995年开始建厂”，中间经过多次工艺改造，同时污水处理厂又处于雨季多雷地区，曾多次发生雷击损坏在线监测仪表及PLC模块现象，如2012年6月份厂区内多台设备受到雷击，共计损坏摄像头4个（主板损坏）包括：CAST池监控摄像头一个;深度处理优化单元监控摄像头一个：接触滤池监控摄像头一个：脱水间屋顶摄像头一个;损坏进口明渠流量计一台（表头显示正常，无流量数据）;损坏出水池液位计一台（4-20mA信号通道损坏）;多台鼓风机变频器数据丢失等。经检查发现以上设备所处的建筑物屋顶（包括CAST池）没有或缺少防雷设施。且部分PLC模块及在线监测仪表缺少电源防雷模块及信号防雷模块的保护，并且各建筑物屋顶及生产技术办公楼原先设计的防雷保护措施已起不到自动化控制系统的防雷保护作用。

3.4防雷保护措施的完善

针对以上情况，对室内PLC模块以及室外仪表加装了控制电源防雷模块及信号电源防雷模块。监控系统前端加装了二合一防雷器。建筑物屋顶对原先没有的防雷设施的进行改造，安装了避雷带。没有防雷设施的加装防雷设施以适用于自动化控制设备对防雷的要求。如在厂区内安装避雷针及避雷网等防雷装置。以下对防雷保护的完善情况做一下简要介绍：厂“区内加装避雷针及接地网装置5座、避雷网及接地装置2座、安装接地体装置9个。其中CAST北池中段空地位置安装30m高独立避雷针及接地体1座。深度处理优化单元西端空地位置安装30m高独立避雷针及接地体1座。过滤间与出水泵房中间空地位置安装30m高独立避雷针及接地体1座。脱水间屋顶摄像头附近位置安装2.5m高避雷针1座，其引下线与原建筑物避雷网相连。生产技术楼屋顶摄像头附近安装2.5m高避雷针1座并与原建筑物避雷网相连。细格栅间屋顶加装屋顶避雷带及接地体2个。加压泵房屋顶加装屋顶避雷带1座及接地体4个。防雷工程严格按照《建筑物防雷设计规范》的要求对需要防雷保护装置的位置进行选择。材料的选用条件：导体的截面积和熔点必须满足防雷要求。如避雷针制作材料选用：主要材料为圆钢、钢板，以此焊接独立避雷针。分为A段、B段、C段、D段及避雷针针尖共五段，每段为6m，共计30m。12mm规格厚钢板做底座。12、16、19、22、25mm等规格的镀锌圆钢分别做避雷针各段的主材料。接地极所用镀锌扁钢选用40X4mm规格。避雷针所用镀锌钢管焊接在钢板中心位置。镀锌钢管上端焊接镀锌圆钢（圆钢顶部应磨尖），钢板用水泥做台固定，并焊接镀锌扁钢连接至原建筑物避雷网。避雷针建造完成后粉刷防锈漆进行防锈处理后再进行刷银粉漆处理。安装完成后，还需对这些防雷设施进行细致的检查与维护，如防雷建筑物检查每年至少进行1次，建筑物接地电阻不应≤109，防静电接地，电气设备工作接地，交流保护接地，保护接地电阻均应≤42。所测接地电阻值不符合规定时，必须进行处理。另外接闪器、避雷针、避雷网需进行外观检查，如有发现开焊或者腐蚀严重的要进行焊接和刷漆。应确保引下线与接地装置的连接处无开焊、腐蚀现象。

通过以上防雷保护装置的安装，厂：内再没有发生因雷击损坏自动化控制设备、在线监测仪表以及监控摄像头的情况。

4结束语

自动化控制系统的防雷工作非常重要，这项工作是保证自动化控制系统及其相关的在线监测仪表安全性和使用寿命的必备条件。同时要优化和完善相应的功能模块，提高防雷效果，使自动化控制系统的防雷技术更加先進和实用。

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