韓華亮

鄭州市自來(lái)水總公司，河南鄭州 450000

淺談水廠電子設(shè)備的防雷措施

韓華亮

鄭州市自來(lái)水總公司，河南鄭州 450000

本文通過對(duì)雷擊引起的變頻器、電子設(shè)備的危害進(jìn)行了分析，重點(diǎn)闡述了防雷措施。

雷擊；變頻器 ；電子設(shè)備；防雷措施

0 引言

目前，為了保障城市安全供水并達(dá)到節(jié)能降耗的目的，很多水司采用了高壓變頻器。但隨之而來(lái)的是因雷擊引起的變頻器發(fā)生故障現(xiàn)象頻頻發(fā)生，這種情況嚴(yán)重干擾了供水設(shè)備的正常運(yùn)行并在很大程度上對(duì)供水生產(chǎn)造成不好的影響。同時(shí)，水廠自動(dòng)化程度越來(lái)越高，電子設(shè)備大量應(yīng)用，特別是電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和微波通信技術(shù)日益普及，感應(yīng)雷擊的危害明顯增加。

1 雷擊的分類及危害

雷擊主要有直接雷擊和感應(yīng)雷擊兩類。直接雷擊聲光并發(fā)，電閃雷鳴，老少皆知。它以強(qiáng)大的電流、熾熱的高溫、猛烈的沖擊波等，擊壞放電通道上的建筑物、輸電線、擊死擊傷人、畜等。而感應(yīng)雷擊則悄然發(fā)生，不易察覺，后果嚴(yán)重。它是由于雷雨云的靜電感應(yīng)或放電時(shí)的電磁感應(yīng)作用，使建筑物上的金屬部件，如管道、鋼筋、電源線、信號(hào)傳輸線路、天饋線等感應(yīng)出與雷雨云電荷相反的電荷，造成放電，其主要通道是通過電源線、信號(hào)線、天饋線以及地電位反擊等引入室內(nèi)破壞電子設(shè)備。因雷擊而引起的浪涌電流在瞬間就能釋放出巨大的能量并在電路上形成幾百千伏的沖擊電壓，這對(duì)一般防護(hù)的工作中的變頻器、電子線路、電氣參數(shù)采集模塊均能造成毀滅性的破壞。在工作中，我們常常發(fā)現(xiàn)高壓變頻器因雷擊而發(fā)生故障，PLC控制單元模塊因避雷不好而燒毀，在生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)方面都是一定的損失。

2 降低雷擊的防護(hù)措施

既然直擊雷和感應(yīng)雷擊的侵害渠道不同，防護(hù)措施也就不同。防直擊雷主要采用避雷針、避雷帶（網(wǎng)）等傳統(tǒng)避雷裝置，只要設(shè)計(jì)規(guī)范，安裝合理，這些避雷設(shè)施便能對(duì)直擊雷進(jìn)行有效的防御。但是無(wú)論多么完善的避雷針（帶），對(duì)感應(yīng)雷擊都無(wú)能為力，因?yàn)楦袘?yīng)雷擊是由于電子、電氣設(shè)備的電源線、信號(hào)線和天饋線等招引而致，加之有的系統(tǒng)屏蔽差以及沒有采取等電位連接措施、綜合布線不合理、接地不規(guī)范造成地電位反擊等，因而感應(yīng)雷擊及雷電電磁脈沖的入侵很容易損壞相應(yīng)的電子、電氣設(shè)備。當(dāng)今信息社會(huì)電子設(shè)備大量應(yīng)用，特別是電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和微波通信技術(shù)日益普及，感應(yīng)雷擊的危害明顯增加，僅靠避雷針防雷已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電子、通信、微電子設(shè)備防雷擊的實(shí)際需求。

為了適應(yīng)這種需要，近年來(lái)防雷也由簡(jiǎn)易避雷針防直擊雷發(fā)展到綜合防雷工程的新階段。防雷工程是一個(gè)系統(tǒng)工程，它包括直擊雷的防護(hù)、等電位連接措施、屏蔽措施、規(guī)范的綜合布線、感應(yīng)雷擊及雷電電磁脈沖（lemp）的防護(hù)、完善合理的接地及地網(wǎng)系統(tǒng)6個(gè)部分組成。在一個(gè)完善的防雷系統(tǒng)工程中（特別是微電子設(shè)備的防雷工程）缺一不可。如果一個(gè)環(huán)節(jié)考慮不周，不但起不到防雷作用，還有可能引雷入室而損壞設(shè)備。

因此，我們既要防止直接雷擊——依靠合格的避雷針（帶）系統(tǒng)，也要防止感應(yīng)雷擊—采用完善的綜合防雷手段和安裝避雷器（spd）系統(tǒng)，二者有機(jī)結(jié)合，相互補(bǔ)充，構(gòu)成一套完整的防雷體系，這就是現(xiàn)代防雷的新理論—綜合防雷技術(shù)。只有這樣，才能有效地防止雷擊事故，減少雷擊災(zāi)害。

信息系統(tǒng)設(shè)備種類多、線路多、要求特殊、屬實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)，除了有暴露在室外各類專用收、發(fā)信天線等設(shè)施外，還有非常集中的各類弱電設(shè)備，這既應(yīng)防御直接雷擊的危害，又需防止感應(yīng)雷擊的侵襲。因此，信息系統(tǒng)的防雷應(yīng)按照：“綜合治理、整體防御、多重保護(hù)、層層設(shè)防、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全可靠的基本原則，進(jìn)行綜合防護(hù)”。只有這樣才能有效地防止雷擊事故的發(fā)生，從而減少和避免雷擊造成的危害，以保護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)行，保障工作順利進(jìn)行。

2.1 變頻器防雷措施

雷擊或感應(yīng)雷擊形成的沖擊電壓能對(duì)變頻器造成損壞，而且當(dāng)電源系統(tǒng)一次側(cè)帶有真空斷路器時(shí)，斷路器開閉也能產(chǎn)生較高的沖擊電壓。變壓器一次側(cè)真空斷路器斷開時(shí)，通過耦合在二次側(cè)形成很高的電壓沖擊尖峰。

為防止因沖擊電壓造成過電壓損壞，通常需要在變頻器的輸入端加壓敏電阻等吸收器件，保證輸入電壓不高于變頻器主回路期間所允許的最大電壓。當(dāng)使用真空斷路器時(shí)，應(yīng)盡量采用沖擊形成追加RC浪涌吸收器。若變壓器一次側(cè)有真空斷路器，應(yīng)在控制時(shí)序上保證真空斷路器動(dòng)作前先將變頻器斷開。

過去的晶體管變頻器主要有以下缺點(diǎn)：容易跳閘、不容易再起動(dòng)、過負(fù)載能力低。由于IGBT及CPU的迅速發(fā)展，變頻器內(nèi)部增加了完善的自診斷及故障防范功能，大幅度提高了變頻器的可靠性。

如果使用矢量控制變頻器中的“全領(lǐng)域自動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能”，其中“起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足”、“環(huán)境條件變化造成出力下降”等故障原因，將得到很好的克服。該功能是利用變頻器內(nèi)部的微型計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算，計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻所需要的轉(zhuǎn)矩，迅速對(duì)輸出電壓進(jìn)行修正和補(bǔ)償，以抵消因外部條件變化而造成的變頻器輸出轉(zhuǎn)矩變化。

此外，由于變頻器的軟件開發(fā)更加完善，可以預(yù)先在變頻器的內(nèi)部設(shè)置各種故障防止措施，并使故障化解后仍能保持繼續(xù)運(yùn)行，例如：對(duì)自由停車過程中的電機(jī)進(jìn)行再起動(dòng)；對(duì)內(nèi)部故障自動(dòng)復(fù)位并保持連續(xù)運(yùn)行；負(fù)載轉(zhuǎn)矩過大時(shí)能自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行曲線，避免Trip；能夠?qū)C(jī)械系統(tǒng)的異常轉(zhuǎn)矩進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 電子、通信設(shè)備防雷措施

1）水廠車間電源防雷

整個(gè)水廠的供電都由總配電室分配到各個(gè)功能單元配電柜，再由配電柜分配到各供水車間使用。由于電源系統(tǒng)是防雷的重點(diǎn)，此處必須采用三級(jí)電源保護(hù)。其中，總配電室宜安裝1臺(tái)通流量大的電源防雷器對(duì)進(jìn)入室內(nèi)的電源進(jìn)行第一級(jí)防雷安全保護(hù)。在各功能單元分配電柜各安裝一套通流量為60ka的電源防雷器，作為電源系統(tǒng)的第二級(jí)防護(hù)；在各車間配電箱或插座取電處各安裝一臺(tái)通流量為20ka的電源防雷器，作為電源系統(tǒng)的第三級(jí)防護(hù)；以上構(gòu)成三級(jí)防護(hù)，可靠保護(hù)設(shè)備的用電安全。

2）水廠監(jiān)控設(shè)備防感應(yīng)雷及雷電電磁脈沖入侵

攝像頭的防雷：攝像頭分為旋轉(zhuǎn)攝像頭和固定攝像頭，各個(gè)攝像頭到分機(jī)房光端機(jī)前端通過屋檐下架空等方式布線，長(zhǎng)度最短30余米，最長(zhǎng)700余米。除少數(shù)攝像頭分布于室外，大多數(shù)分布于室內(nèi)走廊及辦公室。其中，旋轉(zhuǎn)攝像頭到分機(jī)房的接線包括視頻同軸電纜、電源線路、信號(hào)控制線路三組線，固定攝像頭到分機(jī)房的接線包括視頻同軸電纜、電源線路兩組線。為了確保攝像頭以及與之連接的光端機(jī)、電源設(shè)備、信號(hào)控制設(shè)備的安全，設(shè)備除采取有效可靠的接地措施外，必須加裝spd保護(hù)，其中，重點(diǎn)保護(hù)戶外孤立攝像頭及與其相連接的機(jī)房設(shè)備。

3）控制中心及部分局域網(wǎng)防雷

控制中心機(jī)房作為整個(gè)防雷系統(tǒng)的核心點(diǎn)，其設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要。除了良好的接地外，電源、信號(hào)、室外直接引入線、局域網(wǎng)絡(luò)訪問系統(tǒng)都必須進(jìn)行可靠的防雷保護(hù)。

4）室內(nèi)設(shè)備接地及等電位連接

水廠很多車間都使用了電子儀器，設(shè)備自身必須進(jìn)行良好的接地，同時(shí)保護(hù)設(shè)備的防雷器也必須可靠接地。為此，系統(tǒng)很多需要接地的分機(jī)房需要進(jìn)行室內(nèi)接地改造，進(jìn)行接地和等電位連接。對(duì)于有接地且滿足接地要求≤4Ω的機(jī)房，只將設(shè)備與地網(wǎng)連接即可，對(duì)于未做接地或接地不滿足要求的地方且需要重新做接地系統(tǒng)。

5）室外地網(wǎng)

應(yīng)保證中心機(jī)房室外地網(wǎng)接地電阻值小于4Ω。

3 結(jié)論

變頻器和水廠PLC自控系統(tǒng)的電子設(shè)備防雷擊電磁脈沖的過電壓保護(hù)，對(duì)安全供水工作尤其重要。這些設(shè)備一但損壞，不僅影響供水，而且維修費(fèi)用昂貴。設(shè)置安全有效的防雷擊電磁脈沖保護(hù)系統(tǒng)，使變頻器和其它水廠通信設(shè)備不會(huì)因過電壓而損壞，是供水安全、高效生產(chǎn)中值得關(guān)注的事情。

[1]建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范.GB50057-94.

[2]民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范.JGJ16-2008.

[3]電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范.GB50174-93.

[4]雷電電磁脈沖的防護(hù).IEC61312.

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