章嶸

一、防雷在工廠自動化系統中的重要性

　　隨著技術的飛速發展，自動化系統已經在工廠生產過程中普遍使用。在自動化系統中，為了能夠通過中控室的上位機監控現場設備的工作狀況，這就需要將上位機和現場的執行單元連接起來，構成了一個密集而龐大的自動化執行網絡，整個工廠的生產運行就依賴它，如同人對大腦、器官和血液系統的依賴一樣。
　　但就是這個自動化網絡系統在雷擊這種自然危害面前，顯得十分脆弱。一個直擊雷，或是由于雷擊所產生的變化電磁場，都會像病菌一樣，沿著這個網絡傳播至系統的每個監控和執行單元，并摧毀它，而使整個系統處于癱瘓之中。
　　我們可以親身感受到，隨著自動化系統的普及，防雷已經被越來越多的人重視，國家也在出臺相關的標準，以建立完善的防雷保護系統。

二、如何建立完善的防雷系統

　　由于我常年從事水廠自動化系統的建設工作，也經常遇到和聽到雷擊對設備的損壞，因此我查閱了國內和國外的相關書籍和標準，了解防雷的原理和具體措施。
　　依據GB7450-87（電子設備雷擊保護導則），對電子設備的雷電危險源有以下三種：
　　直擊雷：雷電直接擊中線路并沿導線或電纜流過大量的雷電流，持續時間達若干微秒，使線路設備有實質性的破壞，還可以引起幾千伏的過電壓直接加到線路裝置和終端設備上。
　　直擊雷的能量和破壞力相當巨大，但其遭受概率是有限的。
　　感應雷：通過雷云之間或雷云對地的放電，在附近的架空線路、埋地線路、鋼軌或類似傳導體上產生的感應過電壓。
　　感應雷的破壞力沒有直擊雷那么大，但其影響的范圍和遭受的概率卻十分大。
　　地電位升：雷電流通過接地裝置流入大地所引起大地電位的升高，危害設備對地的絕緣。
　　而整個防雷保護系統如圖一。
　　圖一：

外部防雷系統

　　外部防雷系統包括接閃器、引下線、接地裝置，接閃器包括避雷針和攔截帶。其作用是通過接閃器攔截雷電流，然后通過引下線將雷電流引入接地裝置，以避免雷電流直接擊中建筑物，引起火災或損壞。
　　外部防雷系統，雖然能夠攔截住一定的雷電流，但是它不能阻止引入建筑物的導線上所攜帶的浪涌電流，以及因感應雷所產生的巨大變化的電磁場和地電位反擊，對建筑物內部電氣設備的損壞，因此，一個完善的防雷系統還應包括內部防雷系統。
　　內部防雷系統
　　內部防雷系統包括電磁屏蔽、等電位連接、共用接地，系統和浪涌吸收保護器這四個子系統。通過這四個子系統可以將引入建筑物內的浪涌電壓和浪涌電流瀉放到大地，并將其鉗位在一定的電壓范圍內，以完善地保護電氣設備，圖二是內部防雷系統的示意圖。
　　圖二：

　　結合以上內容，我對整個自動化系統的防雷保護系統總結下來，其主要措施有以下幾點：
　　1，首先要建立很好的外部防雷系統，也就是安裝接閃器和攔截帶等，以保證直擊雷不會直接擊中建筑物或設備。
　　2，對于出室外的長距離導線（電源、信號、控制），應盡可能采用屏蔽系統，并和設備的屏蔽和接地做到良好的等電位連接。
　　3，對于出室外的長距離導線（電源、信號、控制），如果其兩端安裝的是電子設備，就必須在最接近被保護設備的地方安裝合適的防雷器。
　　4，對于室內的長距離導線（電源、信號、控制），如果其兩端安裝的是電子設備，也應盡可能在最接近被保護設備的地方安裝合適的防雷器。

三、 應用實例

　　結合以上的防雷措施，我們在杭州七格污水處理廠（日處理40萬噸）的設計初期，就提出防雷的要求，并針對水廠自動化系統的特殊性，選擇專業的防雷產品。
　　整個水廠的自動化系統，主要由上位機、PLC和各類監控、分析儀表組成，如圖三。
　　圖三：

　　整個自控的防雷系統分為，中控室、PLC站和現場儀表的保護。
　　由于中控室和PLC站在整個系統中十分重要，所以我在選擇防雷器時，在資金允許的前提下，要求盡可能使用高能量的防雷器，分別對系統的電源、現場總線和4～20mA模擬量進行保護。
　　在電源部分我們采用達到Imax:100KA (10/350us)的防雷器，要求殘壓低于1500V，對于現場總線和模擬量的防雷器我們均要求達到Isn:20KA(8/20us)，并要求其殘壓低于100V。所有的防雷器外殼材料要求阻燃防潮，外觀設計應符合國際標準，便于安裝在35mm導軌上。
　　而對于現場儀表等設備，由于數量較多，從資金的角度考慮，在電源部分予以適當降低，采用Isn:20KA(8/20us)的防雷器，其它信道部分防雷器的要求不變。
　　由于整個系統在總線方面采用Profibus，所以在選擇防雷器時，我們還注意了防雷器對網絡通信的影響。由于Profibus的最高傳輸速率可以達到1MHz，而線地電壓只有5V。這就要求防雷器的選型既要采用低工作電壓，又要求有較寬的帶寬。
　　然后，我們對目前市場上的防雷器予以選擇和比較，最后在電源部分和總線部分采用了德國DEHN的防雷器，滿足了我們對電源防雷器在性能和外觀上的要求。
　　在4～20mA模擬量上的防雷，我們采用了上海深恩SUM的防雷器，其產品從性能和外觀上都可以達到我們的要求，而且價格合適，比較適合應用在大量使用防雷器的場合。
　　最后，我們對防雷器的安裝也提出了具體的要求，對于需要安裝在室外的防雷器，我們均要求安裝了漢森的電氣箱，防護等級達到IP65，且前面有可視窗口，可以不用開箱，就可以檢查防雷器的好壞。
　　在此，我提供了自控防雷系統中的某個現場站的配置圖，見圖四。
　　圖四：

　　此外，整個工廠的弱電系統中除了自控系統外，還有CCTV監控系統，也是極易遭受雷擊損壞的系統，限于篇幅的原因，不在這里詳述，見圖五。
　　圖五：

　　所有這些系統在2003年年初，安裝完畢。由于我廠地處杭州錢塘江邊，屬于雷雨多發地區，但從建成至今，沒有發生因雷擊造成的損失，所以在此介紹給大家，供大家參考，如有不足之處，請多多指教。

作者單位：杭州市七格污水處理廠工程建設指揮部
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