电厂仪控系统接地防雷研究与探讨

孙永行

摘要：目前随着在运电厂逐年增多，遭受雷击引发生产事故现象多有发生。雷击通过引入强电流，对设施供电及控制系统影响较大，波及范围广，造成破坏严重。随着科学技术水平的提升，对户外设施防雷技术的研究逐渐成熟，本文通过对电缆不同的接地端接方式防雷原理的研究，提出防雷方案及SPD浪涌保护器布置的建议方案，以期对后续电厂防雷设计方面提供参考。

关键词：防雷;仪控系统;SPD浪涌保护器

1屏蔽层两端接地的防雷原理

1.1屏蔽层两端接地且两端等电位

当屏蔽层两端接地时，屏蔽层形成了一个闭合回路，雷击时产生的瞬间磁场（原磁场）会在屏蔽层回路和电缆内的芯线回路内分别产生感应电流Is和Ie。这两个电流是同相的。屏蔽层将电缆内的芯线全部包绕，故其回路电流Is又会产生二次磁场，于是在电缆内的芯线回路上又会感应出二次电流Isc，Isc和Ie的相位角相差约180°。因此，Isc和Ie近于抵消。此为屏蔽层两端接地的屏蔽原理。实践证明它对抑制发生在电缆邻近区域内的电磁感应是很有效用的。

二次电流Isc能否抵消一次电流Ie取决于屏蔽层的阻抗，为了取得良好的屏蔽效果，屏蔽层宜每隔30米设一个接地点，接地点与接地点之间的距离愈短，屏蔽效果愈好，直至将屏蔽层埋地（或将电缆穿金属管埋地），屏蔽效果最好。

1.2屏蔽层两端接地但两端不等电位

当屏蔽层两端接地点之间存在着很大的共模电压（地电位差）时，会在屏蔽层里形成一个很大的附加电流If，该电流的方向取决于地电位差的方向。

如其中一个接地端位于接地引下线处，设雷电流为100kA，接地电阻为1欧，因雷电流系电流源，故该地电位将升高100kV;假如屏蔽层另一个接地点的电位为0v，则该地电位差会在屏蔽层里产生很大的附加电流If，由附加电流If在芯线回路内产生的感应电流足能将设备损坏。

此为雷击造成设备损坏的主要原因。

2实施方案设想

通过对电缆屏蔽层接地方式探讨，并采用目前较为成熟的SPD浪涌保护器进行保护。在户外仪器仪表端及室内信号采集柜间增加防雷装置，将室外电缆的屏蔽层由两端接地改为单端接地，接地点位于室内信号采集机柜侧;中间采用SPD浪涌保护器进行信号转接。

浪涌保护装置的作用有两个：

（1）泄流。把入侵的雷电流分流入地，让雷电的大部分能量泄入大地，使雷电电磁脉冲无法达到或仅极少部分到达电子设备;

（2）限压，在雷电过电压通过电源线入户时，在浪涌保护器两端保持一定的电压（残压），而这个限压又是电子设备所能接受的。这两个功能同时作用，即在分流过程中达到限压，使电子设备受到保护。

2.1方案评估

1、将外部信号电缆的屏蔽层由两端接地改为一端接地，改变了电缆的屏蔽功能，即两端接地是抑制电感性（磁场）偶合，一端接地是抑制电容性（电场）偶合。在雷击时，电容性耦合与电感性偶合同时存在，但电感性偶合的威胁更大。建议在电缆外部敷设进入室内前至少15m的地方穿金属管埋地敷设，可更好的抑制电感性耦合。

2、在机柜侧设置防雷装置，可以抑制由于雷击在电缆中造成的雷电波（包括过电压与过电流），從而保护柜内的设备。

2.2浪涌保护器（SPD）的参数选择

1、最大持续运行电压指“允许持续施加于SPD端子间的最大电压，而此时SPD不动作”。所以，Ue的选择应按信号采集直流电源可能出现的最大值考虑。如直流电源电压可能出现的最大值小于28V，则可按中科华Ue的选择考虑。

2、防雷装置中应设置两个热敏电阻以保护直流电源。该热敏电阻的阻值再叠加接受端的信号转换电阻后，应处于仪器仪表的驱动能力范围内。

3、对保护24VDC工作电压的仪表或卡件，SPD的电压保护水平Up-般应小于60V，即Up加上SPD两端引线上的感应电压（总称“残压”）应小于被保护仪表端口所能承受电压的0.8。

4、SPD的响应时间应小于5u。

2.3浪涌保护器（SPD）的安装要求

SPD的安装应注意如下两点：

◆SPD应安装在被保护设备的前端，并与其它电气设备保持一定的距离。

◆导线连接的SPD其两端连线的总长度不宜超过0.5m。

之所以规定两端连接线长度不宜超过0.5m，可降低雷电流通过引线上的时间，从而提高SPD的保护安全性能。因为电缆介质存在着分布电容和分布电感。按行波理论，雷电流在电缆中的传输速度一般认为是空气中光速的二分之一，即1.5×108m/s。在该速度下，雷电流通过0.5m长导线的时间可达3.4ns，故连接线太长将影响SPD的响应时间。

另外该布置可减小线路残压。

3方案推荐

根据分析，最优方案为将外部信号电缆的屏蔽层由两端接地改为在信号采集机柜侧接地，并在外部电缆进入室内前至少大于15m的地方穿金属管埋地敷设;并在机柜侧以及信号采集仪器仪表侧均设置浪涌保护器（SPD）。

因防雷装置为墙挂式，装设在信号采集机柜外，故必须要满足《GB50343建筑物电子信息系统防雷技术规范》第5.4.3规定：“浪涌保护器连接导线应平直，其长度不宜大于0.5m”。

为考虑保护室外现场的信号采集仪器仪表，也应在信号采集仪器仪表侧设置浪涌保护器（SPD）。

4技术延展

雷击事故是低概率事件，也许还有许多雷害隐患未暴露，故建议对电厂进行雷电风险评估，除了进行现场测试和计算外，应查找还存在的雷害隐患。

另可增设电厂雷电预警系统以确保整个厂区的安全，整个场区仅需设置一套雷电预警系统即可。

所谓雷电预警系统是在雷击发生前的10-30分钟左右发出警告信号，提请并告知相关人员采取适当的防雷措施，以防止重大防雷事故的发生。其基本原理是监测雷云产生的静电电场强度的变化来预测是否即将有雷击发生。

每个预测探头的报警范围可以远达3km。

该系统可以实现以下功能：

1.通过雷电预警功能模块，实现雷暴的提前预报，可以根据自身需求，调整设备运行状态和切换供电电源（如断开市电，采用UPS供电）;

2.通过数据库累积，可在运行一定时间后，找出防雷措施的侧重点，如需要重点保护的区域或重点保护的设备;

3.通过雷击计数模块指示，可在必要的次数后对浪涌保护器进行老化检测并及时更换，可以让防雷保护从不间断;

4.雷电预警数据可接入到全厂的信息化管理系统，提供精细化管理数据，也可以接入过程监控系统。