供水行业计量系统防雷应用解决方案.doc

供水行业计量系统防雷应用处理方案
计量系统/防雷;接地/处理方案
1 引言
防雷技术发展是与高科技迅猛发展紧密相关。伴随计量技术及PLC控制技术日益成熟,供水行业多采取电磁流量计等微电子产品,雷电对其破坏愈加多样,它能够造成数据信号发生错乱,也可造成芯片直接损坏,使设备出现故障,造成供水单位流量计量损失。本文就计量系统防雷接地进行了全方面探讨和简明分析,目是提出一套完善实用防雷方案,使计量系统在恶劣雷电环境下能安全运行。

2 雷电危害及防雷原理
雷击是年复一年严重自然灾难之一。伴随中国现代化建设不停提升,通信、 控制等弱电设备越来越多,规模越来越大。首先大型电子计算机网络,程控交换机组等系统设备耐过电流、 耐雷电压水平越来越低,新设备结构与过去电子管设备有了很大区分;其次因为信号起源路径增多,系统较以前更轻易遭受雷电波侵入,致使雷电灾难频频发生。
2.1 雷击分类
雷击通常分为直接雷击和感应雷击。
直接雷击——指雷电直接击在建筑物、 构架、 树木、 动植物上,因为电效应、 热效应和机械效应等混协力作用,直接摧毁建筑物,构筑物以及引发人员伤亡等。因为直击雷电效应,有可能使微电子设备遭受浪涌过电压危害。
感应雷击(又称二次雷击)——指雷云之间或雷云对地之间放电而在周围架空线路、 埋地线路、 金属管线或类似传导上产生感应电压,该电压经过传导体传送至设备,间接摧毁微电子设备。感应雷击对微电子设备,尤其是通讯设备和电子计算机网络系统危害最大,据资料显示,微电子设备遭雷击损坏,80%以上是由感应雷引发。
另外还有操作过电压,即是指当电流在导体上流动时,会产生磁场储存能量,当负载(尤其是电感性大负载)电器设备开关时,会产生瞬时过电压,操作过电压同感应雷击一样,能够间接损坏微电子设备。
2.2  雷电危害
近些年来因为高新技术发展,尤其是电子技术飞速发展,推进了电子用电设备普及和应用,其中借助计算机系统进行信息处理、 数据处理、 自动化控制、 网络通讯、 设计开发等,大大提升了大家工作质量和效率。但优异电子设备包含电子计算机耐受过电压、 过电流能力相对较低,同时也缺乏必需雷害防护技术方法。
另外,在现代高新技术电子产品生产中大量采取了大规模及超大规模电子集成电路制造技术,当今电子设备、 计算机系统网络化程度越来越高,如通讯系统、 视频、 信号、 工业自动化控制网络、 计算机网络系统等,它们传输线路,尤其是暴露在室外长距离输送线,以及动力电源输送线路等,都有可能遭受雷击,产生雷击过电压,并侵入设备,将设备击毁。
德国法兰克福ELELTRA保险企业统计说明在1994年灾难赔偿中雷击过电压损失占33.8%,为第一位(图1)。

这种雷击灾难损失与中国多年来情况基础相同。中国城市中雷击电子设备损害可占雷电灾难总损失80%以上。
2.3  雷电划分[1]
根据IEC61312-1及GB50057-94()要求,将要保护空间划分为不一样防雷区,以要求各部分空间不一样雷击电磁脉冲严重程度和指明各区交界处等电位连接点位置。防雷区宜按以下分区:
1、 LPZ OA区:直击雷非防护区,本区内各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流;本区内电磁场没有衰减。
2、 LPZ OB区:直击雷防护区,本区内各物体不可能遭到直接雷击,但本区内电磁场没有衰减。
3、 LPZ 1区:屏蔽防护区,本区内各物体不可能遭到直接雷击,流经各导体电流比LPZ OB更小;本区内电磁场可能衰减,这取决于屏蔽方法。
4、 LPZ 2区等:后续防雷区,当需要深入减小导入电流和电磁场时,应引入后续雷区,并根据需要保护系统所要求环境选择后续防雷区要求条件。通常,防雷区数越高,电磁环境参数越低。
2.4  雷电对电子设备损害路径
关键有三个路径:
直击雷经过接闪器(如避雷针、 避雷带、 避雷网等)而直放入地,造成地网地电位上升。高电压由设备接地线引入电子设备造成地电位反击。
雷电流沿引下线入地时,在引下线周围产生磁场,引下线周围多种金属管(线)上经感应而产生过电压。
进出大楼或机房电源线和通信线等在大楼外受直击雷或感应雷而加载雷电压及过电流沿线窜入,入侵电子设备。
2.5  针对此三种路径所进行防护[2]
A、 接闪与接地:大楼经过建筑物主钢筋,上端与接闪器,下端与地网连接,中间与各层均压网或环形均压带连接,对进入建筑物多种金属管线实施均压等电位连接,含有特殊要求多种不一样地线进行等电位处理。这么就形成一个法拉第笼式接地系统。它是消除地电位反击有效方法。
B、 均压连接与屏蔽:安装均压环,同时通信电缆线槽及地线线槽需用金属屏蔽线槽,且做等电位连接。其布放应尽可能远离建筑物立柱或横梁,通信电缆线槽以及地线线槽设计应尽可能与建筑物立柱或横梁交叉。
C、 分流:进入建筑物大楼电源线和通讯线应在不一样防雷区交界处,以及终端设备前端依据IEC61312——雷电电磁脉冲防护标准,安装上不一样类别电源类SPD以及通讯网络类SPD(SPD瞬态过电压保护器)。SPD是用以防护电子设备遭受雷电闪击及其它干扰造成传导电涌过电压有效手段。
3  计量系统组成[3]
电磁流量计用于测量封闭管道中导电液体和浆液体积流量。关键由传感器和转换器组成。其测量原理是基于法拉第电磁感应定律。转换器使用16位高性能微处理器2X16字符显示选择,参数现场设定方便、 含有自检和自诊疗功效。其结构见图2。

4  计量系统总体防雷设计方案
4.1  量水间直击雷防护
计量站量水间防雷保护关键是预防直击雷直接击在雷达上,引发雷达损坏。对于直击雷防护常见有避雷针、 避雷网、 避雷带。选择何种直击雷防护方法要依据该建筑物所处地理位置、 当地雷击情况、 建筑物高度等进行选择。此次防护是选择在雷达顶四面安装避雷针并做防侧击雷保护方法进行全方面防护．
4.2  电源、 信号防雷器选型确定
此次配电系统防雷方案设计,考虑数据信息重量性,我们选择安装含有大流量泄流能力防雷产品,以确保防雷工程质量。以后点出发,再综合其它多种原因考虑,防雷方案最终采取以德国菲尼克斯防雷器为主整体防护体系来对计量站电源部分作防雷保护。
4.3  电源系统保护
电源防雷器并联安装于线路上,所以在选择防雷器时要确保防雷器能够起到保护作用,同时还要考虑到防雷器对雷电流通流能力,所以在防雷器选型上应注意下列问题:
1)  对不一样供电接地系统选择不一样防雷器
2)  最大连续工作电压选择
3)  残压选择
4)  报警功效选择
5)  空气开关选择
6)  能量配合选择
根据国际电工标准IEC61312-1技术要求,应将计量站需要保护空间划分为不一样防雷区,以确定各部分空间不一样雷击电磁脉冲严重程度和对应防护对策。依据防雷设计原理及电源防雷器选型标准,本方案关键采取德国PHOENIX电源防雷产品。
4.4  等电位连接
依据现场情况,实施等电位连接主体应为:
1)、 设备所在建筑物关键金属构件和进入建筑物金属管道
2)、 供电线路含外露可导电部分
3)、 防雷装置
4)、 由电子设备组成信息系统
实施等电位连接连接体为金属连接导体和无法直接连接时而做瞬态等电位连接电涌保护器(SPD)。
经过星型(S型结构或网形M型)结构把设备直流地以最短距离连到邻近等电位连接带上。小型机房宜选S型,在大型机房宜选M型结构。
机房内电力电缆(线)、 通信电缆(线)宜尽可能采取屏蔽电缆。
架空电力线由终端杆引下后应更换为屏蔽电缆,进入站内前应水平直埋15m以上,埋地深度应大于0.5m,屏蔽层两端接地,非屏蔽电缆应穿镀锌铁管前水平直埋15m以上,铁管两端接地。
4.5  接地
依据GB50174-93标准要求,电子计算机机房接地装置应满足下列接地要求:
交流工作地:
在工作或事故情况下,确保电器设备可靠地运行,降低人体接触电压,快速切除故障设备或线路、 降低电器设备和输电线路绝缘水平,接地电阻小于4欧姆。
安全保护地:
在中性点不接地系统中,假如电器设备没有保护地,当该设备某处绝缘损坏时,外壳将带电,同时因为线路与大地间存在电容,人体触及此绝缘损坏电器设备外壳,则电流流入人体形成通路,人将遭受触电危险。设有接地装置后,接地电流将同时沿着接地体和人体两条通路流过,接地体电阻愈小,流过人体电流也愈小,接地电阻极微小时,流经人体电流可不至于造成危害,人体避免触电危险,接地电阻小于4欧姆。
直流工作地:
计算机以及一切微电子设备,大部分采取中、 大规模集成电路,工作于较低直流电压下,为使同一系统电脑(计算机)、 微电子设备工作电路含有同一“电位”参考点,将全部设备“零”电位点接于一接地装置,它能够稳定电路电位,预防外来干扰,这称为直流工作接地。
同一系统设备接于同一接地装置后,不管是模拟量或数字量,在进行通信或交换时,才有统一“电位”参考点,从而给接于同一接地装置计算机或微电子设备,提供稳定工作电位,有效地衰减以至消除多种电磁干扰,确保数据处理或信号传输正确无误,接地电阻应按计算机系统具体要求确定。
防雷接地:
为使雷电浪涌电流泄入大地,使被保护物免遭直击雷或感应雷等浪涌过电压、 过电流危害,全部建筑物、 电气设备、 线路、 网络等不带电金属部分,金属护套,避雷器,以及一切水、 气管道等均应与防雷接地装置作金属性连接。防雷接地装置包含避雷针、 带、 线、 网接地引下线、 接地引入线、 接地聚集线、 接地体等。接地应接现行国家标准GB50057-94《建筑物防雷设计规范》实施[4]。
交流工作接地、 安全保护接地、 直流工作接地、 防雷接地等四种接地宜共用一组接地装置,其接地电阻按其中最小值确定;若防雷接地单独设置接地装置时,其它三种接地宜共用一组接地装置,其接地电阻小于其中最小值。可结合现场情况采取联合接地法,即计量站内全部电源地、 保护地、 建筑物地、 防雷地联合在一起,达不到接地要求电阻值时采取辅助地网法降低接地电阻。
5  结束语
雷电防护方法是一项综合性工程,既要有良好产品又要有优异设计方案支持,配以规范施工工艺才能使关键设备达成99%以上安全运行时间。它是保护设备及人身安全关键手段,是确保通信线路、 设备运行不可缺乏技术步骤是企业电子化建设及运行管理工作关键组成部分。
从实际效果看,在雷电防护工程实施前,水库流量计频繁遭受雷击,流量计转换器一个月左右烧坏了三四次,损失惨重。实施防雷保护方法后,转换器再也没有被烧坏过。

胡艳兵