PLC自动控制系统的雷电防护措施

发布于：2015-07-02 11:40:02 来自：电气工程/防雷减灾 [复制转发]

按照《建筑物防雷设计规范》GB50057-94/2000的要求，PLC自动化控制系统需要采取直击雷防护措施和LEMP防护措施
LEMP入侵PLC自动化控制系统的主要途径有：
（1）沿电源线、通信线等金属导体入侵的雷电过电压波：
（2）雷电流或部分雷电流注入接地装置，引起的局部地电位上升，通过接地导线引入的地电位反击；
（3）由于雷电的静电感应和电磁感应，在PLC自动化控制系统设备以及与连接的各种导线上，产生的危险过电压。
直击雷防护
安装有PLC系统的建筑物，最低按第三类防雷建筑物装设直击雷设施。用避雷网做接闪器，引下线沿建筑物四周对称分布或均匀分布，并采用环形接地网。这样在建筑物外围构建的法拉第笼，除了具有防直击雷的作用外，还具有一定的静电屏蔽和电磁屏蔽作用，有利于提升防护措施的防护能力。
防雷接地和等电位连接
防雷接地方式有两种，独立接地和共用接地。由于独立接地的通信网络和电视网络特别容易被雷击，因此，除在防爆炸环境下采用独立接地方式外，一般采用共用接地方式。即防雷接地、交流工作地、直流工作地、安全保护地等共用一组接地装置，或者把原来各个不同功能的接地网通过在地下或地上用金属导体连接起来，使它们之间成为电气相通的统一地网。PLC自动化控制系统应采用共用接地方式，其接地电阻不大于4欧姆。
等电位连接是减小电子系统内外设备间危险电位差的有效措施。对于PLC自动化系统以及与之连接的信号输入设备、外部执行机构的设备外壳、机柜、机架、金属管、屏蔽线外皮、防雷器接地端均需以最短的距离与等电位接地对于规模不大的PLC自动化系统等电位连接网络可采用星型（S型）连接，对于规模较大分布范围大的PLC自动化系统，需采用网格型（M型）或混合型等电位连接方式。
为了减小干扰，PLC自动化系统的接地原则上采用一点接地。其接地点远防雷引下线的接地点和大功率电气设备的接地点，如变频器的接地点、电力变压器的接地点。
屏蔽措施
当发生雷击时，由于雷电的静电感应和电磁感应，在设备的金属外壳和线路上，会产生危险的过电压，直接威胁电气、电子设备的安全。防护雷电感应的措施之一是屏蔽。
PLC自动化控制系统时应用于工业生产的环境，一般PLC主站设置在室内，但没有专用的机房，其从站安装在生产现场，甚至有的从站设置在露天环境。由此可见空间屏蔽措施对多数的PLC系统不适用。最有效的方法，则是利用设备的金属外壳、金属桥架、金属管、凯装电缆外皮、屏蔽电缆外皮构建完整的屏蔽体，并做等电位连接。
在《仪表系统接地设计规范》（HG/T20513-200）中，对屏蔽电缆的接地，原则上是规定一端接地，另一端悬空。这一点与LEMP防护的要求相矛盾。因为，屏蔽层一端接地只能起到静电屏蔽的作用，对电磁场没有屏蔽作用。此时应采用有绝缘隔开的双层屏蔽，内层屏蔽一端接地，外层屏蔽两端接地。在无法实现双层屏蔽的情况下，可将原来的悬空一端的屏蔽外皮经防雷器接地。
电源线路过电压防护
PLC自动化系统电源采用的接地方式是TN-C-S或TN-S。电源从低压室配出至PLC主站的电源柜，经UPS电源或交流稳压器后给PLC自动化控制系统之际和各PLC从站供电。
电源线是雷击电磁脉冲侵入室内电气、电子设备的主要通道。为了将侵入电源线路的过电压降低至电子电设备的可以耐受的范围，需在PLC电源系统安装三级防雷器，第一级设在低压室的低压进线柜，选用开关型或限压型防雷器。第二级防雷器安装在主站的电源柜，UPS电源的电源输入端，第三级防雷器安装在PLC柜主电源开关下端。第二级和第三级防雷器选用限压型。
PLC自动化控制系统主站和从站一般相距几十米，大于防雷器的震荡保护距离，因此需在每个PLC从站的机柜内安装一组防雷器。其性能和参数与第三级防雷器相同。
与PLC自动化控制系统连接的各种传感器、变送器的电源是由PLC机柜提供直流电源，而外部执行机构的电源是现场提供的，与PLC的电源不是同一回路，有的还是由不同电力变压器供电。为了防止从外部设备电源线侵入的过电压反击PLC系统，外部执行机构的电源线路也需要设置防雷器。
在选用电源防雷器时需特别注意，工矿企业的供电电压波动范围很大，防雷器的启动电压需考虑电压高达额定工作电压30%的情况。如果防雷器的启动电压选低了，会导致防雷器元件自爆。
通讯线路过电压防护
通讯线路是PLC主站与从站之间通过通讯线路，交换数据的一段信号线。最常用的是两线制的RS485总线和PROFIBUS总线。两者的信号平均±6V，RS485总线的最高传输速率为19.2KBPS，PROFIBUS总线的最高传输速率为12MBPS，采用2芯或多芯屏蔽线。
PLC自动化系统中与通讯线路连接的通讯模块，很容易被雷击。因此，当线路跨越防雷区时，需在通信接口处串联介入适配的信号防雷器。
在实际工程实践中发现，通信口上安装防雷器后，避免了通讯模块遭雷击，但偶尔发生防雷器自身被雷击，损坏内部用于精细保护的瞬态二极管，其原因是流过TVS的部分雷电流超过了它的通流容量。由于信号防雷器受插入电容的制约，不能采用大功率的TVS。因此，通讯线路LEMP防护最有效的措施，是在信号接口上加装光发器，用无金属光缆作为信号传输介质。如果采用有金属加强芯的光缆则需将加强芯两端接地。

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