浅谈水厂电子设备的防雷措施

时间：2024-05-20

韩华亮

郑州市自来水总公司，河南郑州 450000

浅谈水厂电子设备的防雷措施

韩华亮

郑州市自来水总公司，河南郑州 450000

本文通过对雷击引起的变频器、电子设备的危害进行了分析，重点阐述了防雷措施。

雷击；变频器；电子设备；防雷措施

0 引言

目前，为了保障城市安全供水并达到节能降耗的目的，很多水司采用了高压变频器。但随之而来的是因雷击引起的变频器发生故障现象频频发生，这种情况严重干扰了供水设备的正常运行并在很大程度上对供水生产造成不好的影响。同时，水厂自动化程度越来越高，电子设备大量应用，特别是电子计算机技术和微波通信技术日益普及，感应雷击的危害明显增加。

1 雷击的分类及危害

雷击主要有直接雷击和感应雷击两类。直接雷击声光并发，电闪雷鸣，老少皆知。它以强大的电流、炽热的高温、猛烈的冲击波等，击坏放电通道上的建筑物、输电线、击死击伤人、畜等。而感应雷击则悄然发生，不易察觉，后果严重。它是由于雷雨云的静电感应或放电时的电磁感应作用，使建筑物上的金属部件，如管道、钢筋、电源线、信号传输线路、天馈线等感应出与雷雨云电荷相反的电荷，造成放电，其主要通道是通过电源线、信号线、天馈线以及地电位反击等引入室内破坏电子设备。因雷击而引起的浪涌电流在瞬间就能释放出巨大的能量并在电路上形成几百千伏的冲击电压，这对一般防护的工作中的变频器、电子线路、电气参数采集模块均能造成毁灭性的破坏。在工作中，我们常常发现高压变频器因雷击而发生故障，PLC控制单元模块因避雷不好而烧毁，在生产效率和经济方面都是一定的损失。

2 降低雷击的防护措施

既然直击雷和感应雷击的侵害渠道不同，防护措施也就不同。防直击雷主要采用避雷针、避雷带（网）等传统避雷装置，只要设计规范，安装合理，这些避雷设施便能对直击雷进行有效的防御。但是无论多么完善的避雷针（带），对感应雷击都无能为力，因为感应雷击是由于电子、电气设备的电源线、信号线和天馈线等招引而致，加之有的系统屏蔽差以及没有采取等电位连接措施、综合布线不合理、接地不规范造成地电位反击等，因而感应雷击及雷电电磁脉冲的入侵很容易损坏相应的电子、电气设备。当今信息社会电子设备大量应用，特别是电子计算机技术和微波通信技术日益普及，感应雷击的危害明显增加，仅靠避雷针防雷已远远不能满足电子、通信、微电子设备防雷击的实际需求。

为了适应这种需要，近年来防雷也由简易避雷针防直击雷发展到综合防雷工程的新阶段。防雷工程是一个系统工程，它包括直击雷的防护、等电位连接措施、屏蔽措施、规范的综合布线、感应雷击及雷电电磁脉冲（lemp）的防护、完善合理的接地及地网系统6个部分组成。在一个完善的防雷系统工程中（特别是微电子设备的防雷工程）缺一不可。如果一个环节考虑不周，不但起不到防雷作用，还有可能引雷入室而损坏设备。

因此，我们既要防止直接雷击——依靠合格的避雷针（带）系统，也要防止感应雷击—采用完善的综合防雷手段和安装避雷器（spd）系统，二者有机结合，相互补充，构成一套完整的防雷体系，这就是现代防雷的新理论—综合防雷技术。只有这样，才能有效地防止雷击事故，减少雷击灾害。

信息系统设备种类多、线路多、要求特殊、属实时运行系统，除了有暴露在室外各类专用收、发信天线等设施外，还有非常集中的各类弱电设备，这既应防御直接雷击的危害，又需防止感应雷击的侵袭。因此，信息系统的防雷应按照：“综合治理、整体防御、多重保护、层层设防、经济实用、安全可靠的基本原则，进行综合防护”。只有这样才能有效地防止雷击事故的发生，从而减少和避免雷击造成的危害，以保护设备的正常运行，保障工作顺利进行。

2.1 变频器防雷措施

雷击或感应雷击形成的冲击电压能对变频器造成损坏，而且当电源系统一次侧带有真空断路器时，断路器开闭也能产生较高的冲击电压。变压器一次侧真空断路器断开时，通过耦合在二次侧形成很高的电压冲击尖峰。

为防止因冲击电压造成过电压损坏，通常需要在变频器的输入端加压敏电阻等吸收器件，保证输入电压不高于变频器主回路期间所允许的最大电压。当使用真空断路器时，应尽量采用冲击形成追加RC浪涌吸收器。若变压器一次侧有真空断路器，应在控制时序上保证真空断路器动作前先将变频器断开。

过去的晶体管变频器主要有以下缺点：容易跳闸、不容易再起动、过负载能力低。由于IGBT及CPU的迅速发展，变频器内部增加了完善的自诊断及故障防范功能，大幅度提高了变频器的可靠性。

如果使用矢量控制变频器中的“全领域自动转矩补偿功能”，其中“起动转矩不足”、“环境条件变化造成出力下降”等故障原因，将得到很好的克服。该功能是利用变频器内部的微型计算机的高速运算，计算出当前时刻所需要的转矩，迅速对输出电压进行修正和补偿，以抵消因外部条件变化而造成的变频器输出转矩变化。

此外，由于变频器的软件开发更加完善，可以预先在变频器的内部设置各种故障防止措施，并使故障化解后仍能保持继续运行，例如：对自由停车过程中的电机进行再起动；对内部故障自动复位并保持连续运行；负载转矩过大时能自动调整运行曲线，避免Trip；能够对机械系统的异常转矩进行检测。

2.2 电子、通信设备防雷措施

1）水厂车间电源防雷

整个水厂的供电都由总配电室分配到各个功能单元配电柜，再由配电柜分配到各供水车间使用。由于电源系统是防雷的重点，此处必须采用三级电源保护。其中，总配电室宜安装1台通流量大的电源防雷器对进入室内的电源进行第一级防雷安全保护。在各功能单元分配电柜各安装一套通流量为60ka的电源防雷器，作为电源系统的第二级防护；在各车间配电箱或插座取电处各安装一台通流量为20ka的电源防雷器，作为电源系统的第三级防护；以上构成三级防护，可靠保护设备的用电安全。

2）水厂监控设备防感应雷及雷电电磁脉冲入侵

摄像头的防雷：摄像头分为旋转摄像头和固定摄像头，各个摄像头到分机房光端机前端通过屋檐下架空等方式布线，长度最短30余米，最长700余米。除少数摄像头分布于室外，大多数分布于室内走廊及办公室。其中，旋转摄像头到分机房的接线包括视频同轴电缆、电源线路、信号控制线路三组线，固定摄像头到分机房的接线包括视频同轴电缆、电源线路两组线。为了确保摄像头以及与之连接的光端机、电源设备、信号控制设备的安全，设备除采取有效可靠的接地措施外，必须加装spd保护，其中，重点保护户外孤立摄像头及与其相连接的机房设备。

3）控制中心及部分局域网防雷

控制中心机房作为整个防雷系统的核心点，其设备的安全运行至关重要。除了良好的接地外，电源、信号、室外直接引入线、局域网络访问系统都必须进行可靠的防雷保护。

4）室内设备接地及等电位连接

水厂很多车间都使用了电子仪器，设备自身必须进行良好的接地，同时保护设备的防雷器也必须可靠接地。为此，系统很多需要接地的分机房需要进行室内接地改造，进行接地和等电位连接。对于有接地且满足接地要求≤4Ω的机房，只将设备与地网连接即可，对于未做接地或接地不满足要求的地方且需要重新做接地系统。

5）室外地网

应保证中心机房室外地网接地电阻值小于4Ω。