自动化控制系统防雷基本知识与案例分析
摘要
雷电在自然界中是一种强大的脉冲放电现象。一旦雷电入侵自动化控制系统将给控制系统造成难以估计的损坏，给人类生产生活带来巨大损失，本文主要介绍自动化控制系统常见雷击原因及雷电入侵控制系统的主要途径。同时结合了水厂铁矿西部排岩3#皮带自动化控制系统的雷击案例进行分析，查找防雷击措施上存在的不足，并提出相应的解决方案。
一、自动化控制系统主要特点
1.系统信号输入均为弱电信号，抗瞬态电磁脉冲(瞬态浪涌)影响的能力较差，一旦发生瞬态电磁脉冲侵入系统的情况，系统易发生异常情况。
2.绝缘耐压能力远低于普通电力设备，电力系统普遍使用的避雷设施(避雷器、过电压保护器)动作后的残压水平往往仍高于控制系统的允许值，故对自动化控制系统不能起到很好的保护作用。
1.雷电过电压的形式
①电磁感应（电感性耦合）
雷云放电时，空间存在着强大的电磁场，处在该电磁场作用下的金属线缆因切割磁力线会感应出的数以千伏的浪涌电压。如果金属线缆之间形成了一个回路，该回路内又有一定的空气间隙(如几厘米长），则浪涌电压会在间隙处发生火花放电并将设备击坏。如果金属线缆之间形成了一个流通的闭合回路，则感应电压会在回路内形成闭合电流，该电流流经接触不良的接点或阻抗会产生局部过热，也能将设备烧坏。
②静电感应（电容性耦合）
如果雷击大地或接闪器，由于雷击电流在接地电阻上产生电压降，使雷电通道或接闪器的电压升高，从而使雷电通道（或接闪器）和设备之间的信号线通过分布电容发生电容性耦合。
③远点雷电的侵入
遭受雷电入侵对于存在架空线路系统的危害最为严重。处于控制室内部的控制系统由于控制室的保护，室内和建筑物近旁不可能遭受直接雷击，但若控制系统的电力线、控制信号线为架空引入，则在建筑物远处可能遭受直接雷击，沿线路传导的雷电过电压就会侵入设备内部，造成设备损坏。
④反击（电阻性耦合）
在建筑物或金属设备遭受直击雷时，由于在建筑物引下线内或金属设备内流过很大的电流，这电流在流入接地装置时，会使地电位相对远端浮动几万伏，与汇流排相连的设备外壳电位也随之升高，这时如果近处、远处的设备间有金属导线相连且都是单独接地时，由于两台设备之间存在的高电位差而发生反击放电，就会将近处、远处的设备同时击坏，或击坏其中一个。
2.雷电过电压传导途径
一般情况下，控制系统与外界的联系可分为3种(如图2-1所示)。电源线、信号线及设备地线，因而，无论浪涌过电压产生的形式如何，最终会通过这3个途径中一种或几种对设备放电，造成设备损坏。因此对于任何一个需要保护的空间内的设备，只要截断空间外界浪涌过电压的进入途径，即可达到防护的要求。
1.西部皮带排岩3#控制室概括
水厂铁矿西部排岩系统，采用皮带运输方式将岩石由采区-30米运输至197米的排土场，此条皮带系统在采区生产中起着重要作用。西排3#控制室位于西排排土场最高点，海拔195米，四周空旷，是明显的引雷点。控制室周边安装了避雷针，用于防范直接雷。3#控制室内安装Schneider Quantum PLC控制系统一套，负责两条皮带的自动化控制。2011年和2012年3#控制室连续两年遭受雷击，造成PLC自动化控制模块损坏，尤其是2012年，由于雷击共造成7块PLC模块及皮带系统大部分传感器损坏，直接损失达20万元，同时造成整个皮带系统故障停机达3天，对生产造成较大影响。
2.西排3#控制室现场勘查
事故发生后笔者和技术小组对西排3#控制室现场进行仔细勘查及分析。经现场勘查3#控制室防雷存在以下不足：
①电缆屏蔽不足
3#控制室主要控制排岩系统两条皮带，配出电缆达100多条，通过现场勘查看配出控制电缆及信号电缆屏蔽层接地方式混乱。控制室部分配出线路电缆屏蔽层采用一端接地一端悬空，而另一部分线路电缆屏蔽层两端均悬空，出线电缆屏蔽层连接存在问题。同时控制室通往现场的电缆采用环氧树脂走线槽敷设，这种材质的走线槽对电缆无屏蔽作用。如前文分析，控制室雷击电容耦合及电感耦合均无法抑制。电缆屏蔽层一端接地只能起到静电屏蔽的作用，对电磁感应引起的雷电过电压没有防护作用。
②控制系统接地存在的问题
3#控制室接地设计上采用独立接地，在距控制室10M处制作单独接地极，经测量接地电阻值为3.6欧姆，阻值符合要求。但控制室PLC的单独接地极和避雷针防雷系统的接地极相距仅有8M，小于规范标准规定的20M，一旦控制室避雷针遭雷击时，由于地电位的浮动，对PLC控制模块造成电反击，使PLC失效乃至损坏。由于控制室采用独立接地，接地系统未与现场控制设备接地网连接，这样的直接后果就是造成地电位反击，如图3-1所示。当控制室周边遭受雷击后，控制室地电位升高，而远端传感器等受控设备由于地电位基本不变，这样就形成了地电位差，高压通过电缆对控制系统形成反击，造成设备损坏。假定雷击电流为100KA，接地电阻1欧姆，当雷击避雷针后将造成地电位升高100KV，这种电位差足以将控制系统的绝缘击穿造成设备损坏。分析2012年3#控制室内PLC模块及现场传感器大量损坏的主要原因就是由于地电位反击造成。
③控制系统电源进线未安装防护
3#控制室控制系统PLC供电是由临近低压配电室引入，电源电缆进入控制室后经开关接入UPS电源，然后引入控制柜，电源线路中未安装任何浪涌防护设备。由于供电线路覆盖面积较广，遭受雷击的概率较高，一但线路遭受雷击或感应出高电压，高电压沿电源线进入控制系统势必造成控制系统损坏。
④布线不合理
由于3#控制室控制设备点位较多，因此控制室有3处电缆出口，但是通过现场检查看，去往同一地点的不同电缆却选择了不同的电缆出口及不同的路径。这样就使得线路上形成了较大面积的感应环路，当控制设备周边产生强交变磁场时，线路上将形成感应电压，尤其是雷击时产生的强大脉冲磁场作用到感应环时产生的感应电压足以将控制设备损坏。
3.改进方案
经过上述分析可看出控制室在雷击防护上存在差距，为防止雷击事故的再次放生，笔者与技术小组制定了有针对性的整改方案并组织实施。
改变接地布局实现等电位连接
针对控制室保护接地极与防雷接地极之间距离不足问题，在距防雷接地极25M处从新制作控制室保护接地极，使两接地极间距离超过20M。针对控制室独立接地，存在地电位反击问题对3#控制室的接地方式从新布局，将控制室接地极与排岩皮带系统共用接地网连接，使它们之间成为电气相通的统一地网，实现等电位连接。在实施过程中共安装两路接地连接线，一路通过50*5镀锌带钢连接两个接地网，另一路延电缆槽焊接镀锌圆钢实现与皮带共用接地网连接。这样不仅有效的降低了地电位反击电压，同时为是强大的雷电流提供低阻抗的连续通道并泄放到大地。由于等电位连接减小了系统内各金属部件和各系统间的电位差，无论是从防雷的角度或者是从减小控制系统的干扰来看，这都是十分有益的。
雷电在自然界中是一种强大的脉冲放电现象。一旦雷电入侵自动化控制系统将给控制系统造成难以估计的损坏，给人类生产生活带来巨大损失，本文主要介绍自动化控制系统常见雷击原因及雷电入侵控制系统的主要途径。同时结合了水厂铁矿西部排岩3#皮带自动化控制系统的雷击案例进行分析，查找防雷击措施上存在的不足，并提出相应的解决方案。
1.系统信号输入均为弱电信号，抗瞬态电磁脉冲(瞬态浪涌)影响的能力较差，一旦发生瞬态电磁脉冲侵入系统的情况，系统易发生异常情况。
2.绝缘耐压能力远低于普通电力设备，电力系统普遍使用的避雷设施(避雷器、过电压保护器)动作后的残压水平往往仍高于控制系统的允许值，故对自动化控制系统不能起到很好的保护作用。
3.自动化控制系统与现场设备间通过电缆连接，电缆往往成为干扰入侵控制系统的主要途径。
二、控制系统常
雷击原因分析1.雷电过电压的形式
①电磁感应（电感性耦合）
雷云放电时，空间存在着强大的电磁场，处在该电磁场作用下的金属线缆因切割磁力线会感应出的数以千伏的浪涌电压。如果金属线缆之间形成了一个回路，该回路内又有一定的空气间隙(如几厘米长），则浪涌电压会在间隙处发生火花放电并将设备击坏。如果金属线缆之间形成了一个流通的闭合回路，则感应电压会在回路内形成闭合电流，该电流流经接触不良的接点或阻抗会产生局部过热，也能将设备烧坏。
②静电感应（电容性耦合）
如果雷击大地或接闪器，由于雷击电流在接地电阻上产生电压降，使雷电通道或接闪器的电压升高，从而使雷电通道（或接闪器）和设备之间的信号线通过分布电容发生电容性耦合。
③远点雷电的侵入
遭受雷电入侵对于存在架空线路系统的危害最为严重。处于控制室内部的控制系统由于控制室的保护，室内和建筑物近旁不可能遭受直接雷击，但若控制系统的电力线、控制信号线为架空引入，则在建筑物远处可能遭受直接雷击，沿线路传导的雷电过电压就会侵入设备内部，造成设备损坏。
④反击（电阻性耦合）
在建筑物或金属设备遭受直击雷时，由于在建筑物引下线内或金属设备内流过很大的电流，这电流在流入接地装置时，会使地电位相对远端浮动几万伏，与汇流排相连的设备外壳电位也随之升高，这时如果近处、远处的设备间有金属导线相连且都是单独接地时，由于两台设备之间存在的高电位差而发生反击放电，就会将近处、远处的设备同时击坏，或击坏其中一个。
2.雷电过电压传导途径
一般情况下，控制系统与外界的联系可分为3种(如图2-1所示)。电源线、信号线及设备地线，因而，无论浪涌过电压产生的形式如何，最终会通过这3个途径中一种或几种对设备放电，造成设备损坏。因此对于任何一个需要保护的空间内的设备，只要截断空间外界浪涌过电压的进入途径，即可达到防护的要求。
控制设备与外界联系的带电金属线缆是引雷途径，包括：电源线、控制通讯线以及设备的地线。
1.西部皮带排岩3#控制室概括
水厂铁矿西部排岩系统，采用皮带运输方式将岩石由采区-30米运输至197米的排土场，此条皮带系统在采区生产中起着重要作用。西排3#控制室位于西排排土场最高点，海拔195米，四周空旷，是明显的引雷点。控制室周边安装了避雷针，用于防范直接雷。3#控制室内安装Schneider Quantum PLC控制系统一套，负责两条皮带的自动化控制。2011年和2012年3#控制室连续两年遭受雷击，造成PLC自动化控制模块损坏，尤其是2012年，由于雷击共造成7块PLC模块及皮带系统大部分传感器损坏，直接损失达20万元，同时造成整个皮带系统故障停机达3天，对生产造成较大影响。
2.西排3#控制室现场勘查
事故发生后笔者和技术小组对西排3#控制室现场进行仔细勘查及分析。经现场勘查3#控制室防雷存在以下不足：
①电缆屏蔽不足
3#控制室主要控制排岩系统两条皮带，配出电缆达100多条，通过现场勘查看配出控制电缆及信号电缆屏蔽层接地方式混乱。控制室部分配出线路电缆屏蔽层采用一端接地一端悬空，而另一部分线路电缆屏蔽层两端均悬空，出线电缆屏蔽层连接存在问题。同时控制室通往现场的电缆采用环氧树脂走线槽敷设，这种材质的走线槽对电缆无屏蔽作用。如前文分析，控制室雷击电容耦合及电感耦合均无法抑制。电缆屏蔽层一端接地只能起到静电屏蔽的作用，对电磁感应引起的雷电过电压没有防护作用。
②控制系统接地存在的问题
3#控制室接地设计上采用独立接地，在距控制室10M处制作单独接地极，经测量接地电阻值为3.6欧姆，阻值符合要求。但控制室PLC的单独接地极和避雷针防雷系统的接地极相距仅有8M，小于规范标准规定的20M，一旦控制室避雷针遭雷击时，由于地电位的浮动，对PLC控制模块造成电反击，使PLC失效乃至损坏。由于控制室采用独立接地，接地系统未与现场控制设备接地网连接，这样的直接后果就是造成地电位反击，如图3-1所示。当控制室周边遭受雷击后，控制室地电位升高，而远端传感器等受控设备由于地电位基本不变，这样就形成了地电位差，高压通过电缆对控制系统形成反击，造成设备损坏。假定雷击电流为100KA，接地电阻1欧姆，当雷击避雷针后将造成地电位升高100KV，这种电位差足以将控制系统的绝缘击穿造成设备损坏。分析2012年3#控制室内PLC模块及现场传感器大量损坏的主要原因就是由于地电位反击造成。
③控制系统电源进线未安装防护
3#控制室控制系统PLC供电是由临近低压配电室引入，电源电缆进入控制室后经开关接入UPS电源，然后引入控制柜，电源线路中未安装任何浪涌防护设备。由于供电线路覆盖面积较广，遭受雷击的概率较高，一但线路遭受雷击或感应出高电压，高电压沿电源线进入控制系统势必造成控制系统损坏。
④布线不合理
由于3#控制室控制设备点位较多，因此控制室有3处电缆出口，但是通过现场检查看，去往同一地点的不同电缆却选择了不同的电缆出口及不同的路径。这样就使得线路上形成了较大面积的感应环路，当控制设备周边产生强交变磁场时，线路上将形成感应电压，尤其是雷击时产生的强大脉冲磁场作用到感应环时产生的感应电压足以将控制设备损坏。
3.改进方案
经过上述分析可看出控制室在雷击防护上存在差距，为防止雷击事故的再次放生，笔者与技术小组制定了有针对性的整改方案并组织实施。
改变接地布局实现等电位连接
针对控制室保护接地极与防雷接地极之间距离不足问题，在距防雷接地极25M处从新制作控制室保护接地极，使两接地极间距离超过20M。针对控制室独立接地，存在地电位反击问题对3#控制室的接地方式从新布局，将控制室接地极与排岩皮带系统共用接地网连接，使它们之间成为电气相通的统一地网，实现等电位连接。在实施过程中共安装两路接地连接线，一路通过50*5镀锌带钢连接两个接地网，另一路延电缆槽焊接镀锌圆钢实现与皮带共用接地网连接。这样不仅有效的降低了地电位反击电压，同时为是强大的雷电流提供低阻抗的连续通道并泄放到大地。由于等电位连接减小了系统内各金属部件和各系统间的电位差，无论是从防雷的角度或者是从减小控制系统的干扰来看，这都是十分有益的。
关键词：控制系统，防雷，过电压
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