摘要:城市供水系统的主体—自来水厂 ，一般都位于郊外旷野 ，通常地处地形较高、周边空间较稀散的城区边缘，并且占地面积大、建(构)筑物多且体量大、建(构)筑物和设施呈紧凑形分散布置，取水泵房与自来水厂距离较远，输水管纵横密布，通信方式复杂，极易遭受雷击。随着现代计算机技术、控制技术、通讯技术的发展和广泛应用，目前水厂的综合总线自动化控制普遍采用由工业计IPC或可编程控器PLC组成的集数据采集、过程控制和信息传送于一体的监控网络。由于这些设备大量采用高度集成化的CMOS电路和CPU单元，其对工业通讯线缆,网线传输瞬间过电压的承受能力大幅降低，成为水厂受雷电损害的主要设备之一。所以现代化水厂的雷电防护措施需要针对于建筑物，更需要针对于自动化控制系统，在传统雷电防护措施的基础上更需要明析瞬间过电压产生途径和危害是正确采取有效的防护措施。因此，完善的雷电防护措施对现代化水厂而言十分重要。大量统计数据表明，水厂的设备遭雷击损坏的情况较多，人员伤亡较少， 因此，水厂设备应作为防护的重点，同时又不能忽视对人身安全的防护，必须从建筑、设备、人员安全方面综合考虑。本文主要从以下几个方面对现代化水厂的雷电防护措施的技术规范要求作了相应的分析:
1.第二类防雷建筑物的防雷措施
2.雷电防护等级 B 级的标准
3.全厂等电位接地
4.防雷台账
关键词：现代化水厂、雷电防护措施、全厂等电位接地
一、概述：
自来水厂作为城市供水系统的主体，担负着工业经济发展、确保民生重任。我省供水系统历经数十年的发展迭代，雷电防护措施的重要性也越来越被重视，如何做好自来水厂的雷电防护措施便成了一项迫切重要的事情。有鉴于此，近年来浙江省城市水业协会推广的《浙江省城市供水现代化水厂评价标准》-2013版、2018版中有关雷电防护措施的技术要求越来越详细，对于如何做好雷电防护措施做好了指导。
二、雷电防护对象及危害
建筑物电子信息系统遭受雷电侵害是多方面的，既有直接雷击，又有雷电电磁脉冲，还有接闪器接闪后由接地装置引起的地电位反击。因此，必须采取综合防护措施，才能达到预期防护效果。
1.直击雷
直击雷指的是闪击直接击于建（构）筑物、其他物体、大地或外部防雷装置上，产生电效应、热效应和机械力效应。水厂一般都位于郊外旷野 ，通常地处地形较高、周边空间较稀散的城区边缘，并且占地面积大、建(构)筑物多且体量大、建(构)筑物和设施呈紧凑形分散布置，取水泵房与自来水厂距离较远，输水管纵横密布，通信方式复杂，极易遭受直击雷。直击雷会直接毁坏建筑物及设备，更严重者危害厂区人员的人身安全。
2.瞬间过电压
瞬间过电压是指在微秒至毫秒之内所产生的的尖峰冲击电压而非一般电源上的所谓过压(一般电源过压可能维持数秒及以上)，瞬间过电压有两种产生途径：雷击和电气开关动作。
一般构筑物避雷网只能保护其本身免受直击雷损害，雷击会通过以下两种方式破坏电子设备：①直击到电源输入线，经电源线进入而损害设备，因电力线上 安装的各种保护间隙和电力避雷器， 只可把线对地的电压限制到小于6000伏(IEEE C62.41)，而线对线无法控制。②以感应方式(电阻性、电感性、电容性)偶合到电源、信号线上，最终损害设备。
当电流在导体上流动时，会产生磁场存储能量并与电流大小和导线长度成正比，当电器设备(大负荷)开关时会便产生瞬间过电压而损害设备。
瞬间过电压使电子设备讯号或数据的传输与存储都受到干扰甚至丢失，至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪；重复影响而降低电子设备寿命甚至立即烧毁元器件及设备。
三、雷电防护措施组成
1.第二类防雷建筑物的防雷措施
根据自来水厂的特性及重要性，自来水厂的建筑物防雷措施必须达到第二类防雷建筑物的防雷措施标准。
应在建筑物的屋角、屋脊、屋檐和檐角、屋面等敷设接闪网、接闪带，在整个屋面的接闪网应组成不大于?10m╳10m?或12m╳8m?的网格；专设引下应不少于2根，其平均间距不应大于18m，并与全厂接地网作等电位连接；取得有效的、有CMA认证章的防雷《检测报告》。
2.雷电防护等级 B 级的标准
水厂的低压供配电基本采用TN-S系统，并按雷电防护等级B级的标准做好电源三级防雷工作。电源电涌保护器按组件特性分为电压限制型、电压开关型以及复合型电涌保护器。设置电涌保护器级数，需综合考虑保护距离、连接导线长度、被保护设备的耐冲击电压额定值Uw等因素，并要保证其能承受安装点上预计的放电电流，且电压保护水平Up应该小于它所保护设备的耐受冲击电压额定值Uw。
首先，分析各段设备的电压保护水平，总配电柜电源进线端低压供配电设备耐冲击电压类别属Ⅳ类，Uw=6kV，但随着智慧水务建设内容的不断深入，智能采集仪表等弱电设备在总配电柜内广泛应用，其耐冲击电压类别属Ⅰ类，Uw=1.5kV；配电分支线路设备（泛指PLC 设备）的耐冲击电压类别为Ⅰ类，Uw=1.5kV。
其次，持续工作电压Uc，它表示可持续施加在电涌保护器上的最大交流电压或者直流电压，应根据防护需求、防护级别、防护目的进行综合分析，考虑级间能量配合协调动作，科学选择。
再次，根据国标《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010中第4.3.8条第4款规定：在电气接地装置与防雷接地装置共用或相连的情况下，应在低压电源线路引入的总配电箱、配电柜处装设Ⅰ级试验的电涌保护器。
关于现场PLC系统及水质仪表的电源进线端，根据GB50343-2012中规定：特殊重要的电子信息系统设备电源端口可安装II类或III类试验的浪涌保护器作为精细保护。且满足Uoc≥10KV。
针对水厂电子信息系统（生产系统）PLC控制系统和现场水质仪表的电源进线防护按现代化水厂的技术评审标准必须达到B级以上雷电防护等级，主要是涉及PLC及仪表系统的前端电源设置必须至少达到三级或三级以上防护，且满足国标50057-2010和GB50343-2012中的相关技术要求。根据水厂生产系统低压供配电线路敷设途径，其PLC控制系统的电源进线直接自所在建筑物的低压配电柜引入，因此为了满足PLC控制系统电源防护的技术要求，在其所对应的低压配电柜总进线端必须安装复合型电源防雷器（即B+C组合型电涌保护器）作第一级保护，它是既通过10/350us波形的最大冲击电流Iimp(I级)试验又通过8/20us波形II级的电涌保护器，同时又满足低压供配电系统的三级防护要求。同时具备对直接雷电冲击电流泄放能力和对电涌的防护能力，B级Iimp推荐值为25 KA,Up的推荐值为1.2KV，充分考虑到夏天雷击灾害多和总配电柜的智能仪表等设备的防护。
具体配置如下：
电源三级布置图
局部安装图
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电源SPD最大持续工作电压Uc应满足：Uc≧1.15Uo ，式中Uo=220V；信号SPD技术参数要求：
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3.全厂等电位接地
接地是一切雷电防护措施的工作基础，是雷电能量泄放的通道，等电位是预防感应雷及地电位反击的最有效手段。
信息系统所有电气和电子设备的外壳、机架、机柜、金属管、槽、屏蔽线缆金属外层、电子设备防静电接地、安全保护接地、功能性接地、SPD接地端等均应以最短的距离与建筑物的等电位连接网络作功能性等电位连接；水厂所有构筑物、建筑物、机械及电气电子设备等的接地网均应进行等电位连接；等电位接地电阻应≤1Ω，并在防雷《检测报告》中清晰可查或提供独立的具有CMA认证的第三方检测报告。
构建全厂等电位连接接地网，通过沿厂区外围、电缆沟或者工艺管沟边埋设2条水平等电位连接带，将各建筑物基础接地网与水平接地体做可靠连接，并在厂区外围合适位置增设垂直接地体，水平接地扁铁在规定间隔点要进入沟内与电缆支架作一次焊接连接，确保全厂等电位接地系统接地电阻值小于1欧姆，室外的仪表箱，室外动力柜，水质仪表间等均就近接入厂区等电位接地系统，从而实现雷击电流就近泄放。
构建局部等电位接地网，在综合楼中控机房防静电地板下方敷设4×40mm的紫铜带作为等电位连接铜排，从全厂等电位连接接地网直接引出截面积不小于50mm2的多股铜芯线作为接地引上线至机房总等电位连接铜排箱，再从机房总等电位连接铜排箱直接引出2根不同方向截面积不小于35mm2的多股铜芯线与等电位连接铜排可靠连接。然后将各电气和电子设备的金属外壳、机柜、机架、金属管、槽、屏蔽线缆金属外层，电子设备防静电接地、保护接地、功能性接地、电涌保护器接地端均应以最短的距离和等电位连接接地铜排做可靠连接,连接导体为多股铜芯导线，最小截面积为16mm2。
必须注意的是机房设备的接地线不允许从接闪带、铁塔、防雷引下线直接引入，进入建筑物的金属管线在入口处就近连接到等电位连接端子板上，且金属线路进入机房的LPZ1入口处应分别设置适配的电源和信号电涌保护器，实现等电位连接，防止雷电波沿线路进入室内。
4.防雷台账
防雷台账是自来水厂历年来雷电防护措施的成果体现和工作依据，需要将历年的新建、改造项目资料及历年防雷检测报告以及维护报告统一、有序整理归档，做到随时可查。
5.维护保养
1）为确保防雷设施的正常有效运行，各水厂一般安排应在每年雷雨季节到来前，开展一次全面检测维护，维护的内容主要包括：
（1）检查外部防雷装置的电气连续性，检查接闪器、引下线腐蚀情况及机械损伤以及由雷击放电所造成的损伤情况，发现脱焊、松动、锈蚀等情况，及时修复；
（2）通过人工巡检手段，检查电涌保护器工作状态是否正常，有无接触不良、发热等情况，发现防雷模块劣化，应立即更换；
（3）测试接地装置的接地电阻值，若测试值超过规定值，就需要检查接地装置和土壤条件，找出变化原因，采取整改措施。此外还应检查等电位连接线是否有松动，断路。
2）制订车间防雷装置的日常维护保养，每季度、每次雷击过后进行一次检查，做好检查记录，并建立相应的防雷设施管理台账。
四、展望
随着防雷科学技术的发展，电涌保护设备已经从第一代防雷器（元器件组合式）发展至第三代电涌保护器（配置失效告警输出的模块化电涌保护器），局部进入第四代电涌保护器（智能电涌保护器）的应用。
根据现代化水厂技术评审标准第9.5 条：有条件实施SPD实时监控。采用技术应用引导的方式，逐步培养智能电涌保护技术的推广应用，也就意味着电涌保护器的智能化建设是水厂电涌防护系统的毕然趋势。
五、结束语
自来水厂作为重要的公共基础设施，必须提高对防雷保护系统的总体认知，必须进行水厂防雷系统的总体规划布局，特别是基础性防雷措施在一个新建筑物或新系统的早期设计阶段就应该充分预留技术空间，力求在新建施工时一次完成，避免已建成的水厂实施防雷改造时可能会出现更高的费用和更多的施工技术难题，同时也有利于后期完善和扩展，达到最优化。同时，有条件引进智能电涌防护技术，为实现防雷系统免维护和自动运行创造条件，创建远程监控的高性能、高智能化的防雷系统，这也是打造智慧水务的需要，总之，电子信息系统防雷措施应做到安全可靠、技术先进、经济合理，保证设备和人身安全，最大限度避免或减少雷击事故的发生。
参考文献
[1]《浙江省城市供水现代化水厂评价标准》（2018版）—浙江省城市水业协会.
[2]《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010
[3]《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2012
[4]《供水系统防雷技术规范》QX/T 399-2017