生活垃圾中轉(zhuǎn)站自控系統(tǒng)防雷技術(shù)改造

鄒 巍

（佛山市南海綠電再生能源有限公司，廣東佛山 528225）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，生活垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)焚燒發(fā)電逐漸成為現(xiàn)在生活垃圾處理的有效資源利用模式，生活垃圾中轉(zhuǎn)作為其中的一項(xiàng)中間環(huán)節(jié)，扮演著不可小覷的角色。通常生活垃圾中轉(zhuǎn)站建設(shè)的位置偏離城市的中心，一般位于郊區(qū)，相較周圍的建筑，處于較高的位置點(diǎn)，但當(dāng)夏季雷雨季節(jié)來臨時(shí)，生活垃圾中轉(zhuǎn)站電氣控制設(shè)備可能會(huì)受到直擊雷或感應(yīng)雷的干擾，導(dǎo)致生活垃圾壓裝自控設(shè)備受到損壞，導(dǎo)致設(shè)備無法正常使用甚至停產(chǎn)，給生活垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)帶來了較大壓力。

1 改造背景

電子汽車衡自動(dòng)稱重管理系統(tǒng)和生活垃圾壓縮系統(tǒng)是生活垃圾中轉(zhuǎn)站的主要運(yùn)行系統(tǒng)。為保證市政收集來的生活垃圾正常被轉(zhuǎn)運(yùn)，這兩大系統(tǒng)不間斷、穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要。

（1）電子汽車衡自動(dòng)稱重管理系統(tǒng)包括電子汽車衡本體（含秤臺(tái)本體、稱重傳感器、稱重儀表等）和電子汽車衡輔助設(shè)備（稱重管理工控電腦主機(jī)、語(yǔ)音提示設(shè)備、防作弊系統(tǒng)、讀卡器、道閘機(jī)設(shè)備等）。受雷雨天氣的影響，地磅附屬設(shè)備立柱及秤臺(tái)通常是雷電引入的主要通道，可能會(huì)導(dǎo)致雷電干擾信號(hào)經(jīng)控制線路或信號(hào)線路進(jìn)入地磅房?jī)?nèi)將自動(dòng)稱重管理系統(tǒng)的核心設(shè)備工控電腦燒毀，致使地磅自動(dòng)稱重管理系統(tǒng)癱瘓，給生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)帶來極大不便。

（2）生活垃圾壓縮系統(tǒng)主要完成對(duì)市政收集的散裝垃圾進(jìn)行壓縮并裝載至專用的集裝箱內(nèi)，便于勾臂車轉(zhuǎn)運(yùn)。整個(gè)過程只需操作人員根據(jù)料槽視頻監(jiān)控畫面，在中控上位機(jī)界面操控壓縮機(jī)設(shè)備即可完成。生活垃圾壓縮自控系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)電控系統(tǒng)、抽風(fēng)除塵系統(tǒng)、中控系統(tǒng)構(gòu)成，各個(gè)系統(tǒng)間通過通信電纜連接以實(shí)現(xiàn)中控集中控制。根據(jù)中轉(zhuǎn)站雷電干擾損壞設(shè)備名錄，可能造成中控系統(tǒng)工控電腦主機(jī)燒毀，壓機(jī)控制系統(tǒng)PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）設(shè)備損壞，抽風(fēng)除塵系統(tǒng)PLC設(shè)備損壞等，導(dǎo)致生活垃圾壓縮系統(tǒng)無法正常運(yùn)作，給經(jīng)營(yíng)者和管理者帶來極大困擾。

生活垃圾中轉(zhuǎn)站還有一些附屬設(shè)備，用來維持站點(diǎn)安全、環(huán)保和駐站人員的正常生活，如全站點(diǎn)的視頻監(jiān)控、環(huán)站電子圍欄、環(huán)境照明等。它們雖然對(duì)站點(diǎn)的運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)影響不大，但是可能會(huì)影響站點(diǎn)的安全、管理。以前曾有過雷電干擾將站點(diǎn)的路燈大部分擊毀，視頻監(jiān)控受到重創(chuàng)，給站點(diǎn)帶來很大經(jīng)濟(jì)損失。

2 問題分析

佛山市南海綠電再生能源有限公司的大部分中轉(zhuǎn)站點(diǎn)位于雷暴高發(fā)區(qū)，屬亞熱帶氣候區(qū)，夏季易發(fā)生雷雨、臺(tái)風(fēng)。該地區(qū)年平均雷暴日數(shù)在80 d以上，建筑物及設(shè)備被雷擊危險(xiǎn)極高。整個(gè)建筑物內(nèi)的用電系統(tǒng)、信息系統(tǒng)傳輸線容易遭受感應(yīng)雷，受損形式有3種：一是雷電直接擊在線路或設(shè)備上，打壞設(shè)備或燒斷線纜；另外一種是在落雷點(diǎn)周圍1.5 km范圍內(nèi)的各種傳輸線上產(chǎn)生過電壓，然后傳輸?shù)皆O(shè)備，使之損壞；還有一種現(xiàn)象就是雷擊在設(shè)備附近，強(qiáng)大的雷電電磁脈沖經(jīng)空間感應(yīng)到設(shè)備，使之失靈或永久性損壞。前1種情況發(fā)生的概率較小，而后2種發(fā)生的概率大、范圍廣，是雷擊事故中造成設(shè)備損壞的主要原因。

采用避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)等可防止和減少雷電對(duì)建筑物、人身和設(shè)備造成的直接危害。但是大量事實(shí)證明：在安裝了避雷裝置的室內(nèi)，計(jì)算機(jī)設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)及微電子器件在雷擊時(shí)，仍然會(huì)遭受不同程度的損害。為此，科學(xué)家通過進(jìn)一步的分析，找到其原因所在。

直接擊中建筑物的雷電稱之為“直擊雷”。避雷針等裝置可將“直擊雷”產(chǎn)生的高電壓、強(qiáng)電流迅速引入大地，消除雷擊的影響，保護(hù)設(shè)施。然而，雷擊放電時(shí)在空中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，使周圍的金屬導(dǎo)體因“電磁感應(yīng)”而帶上很高的電壓。另外，雷擊入地點(diǎn)在瞬間會(huì)產(chǎn)生“地電位反擊”，電位迅速抬高，影響其他接地設(shè)備的安全。這些由雷電引起的感應(yīng)現(xiàn)象稱為“感應(yīng)雷”，同樣具有強(qiáng)烈的破壞作用。

在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)，物體雖然可以免遭直接雷擊，但是“感應(yīng)雷”可在電力、通信、網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星天線及有線電視等線纜上產(chǎn)生高壓感應(yīng)和電流“浪涌”，并通過導(dǎo)線引入配電間、機(jī)房、辦公室和住宅等，使電源、通信及電子設(shè)備不可避免地受到損害。因此，防止這些現(xiàn)代社會(huì)的雷害顯得十分緊迫和必要。

對(duì)于一個(gè)用電系統(tǒng)，根據(jù)國(guó)際電工組織（International Electrotechnical Commission，IEC）的統(tǒng)計(jì)資料，80%的雷電損害是通過電源線傳輸過來，使設(shè)備損壞。由于市電通過高壓輸送線路向用戶線路提供電力能源，在供電系統(tǒng)的線路和用戶的線路間形成一個(gè)龐大的電力互聯(lián)輸送網(wǎng)。這些線路大部分暴露在室外，并且距離地面較高甚至處在較空曠的田野，使得其成為了雷暴（直擊雷或感應(yīng)雷）侵害的對(duì)象。被雷暴侵害過的線路，會(huì)產(chǎn)生過電壓、過電流并通過線路侵入房間，對(duì)用電設(shè)備尤其是電子設(shè)備（計(jì)算機(jī)設(shè)備、電視、音響設(shè)備）造成損壞，還有可能對(duì)正在使用的用戶人身造成傷害。

根據(jù)雷電的電流大、電壓高、發(fā)生時(shí)間快的特點(diǎn)，為達(dá)到對(duì)設(shè)備的有效保護(hù)，必須既保證將雷電的大電流泄放入地又保證用電設(shè)備的工作電壓維持在正常水平，其中一個(gè)主要技術(shù)方法就是在室內(nèi)電源線路上串接電源保護(hù)裝置并在信號(hào)線路上安裝對(duì)應(yīng)的信號(hào)浪涌保護(hù)器。

3 解決方案

根據(jù)IEC的防護(hù)原則，由于雷電的能量極大，電源浪涌保護(hù)器是需要既將全部雷電泄放入地，又將雷電形成的高電壓箝位至精密電子設(shè)備能承受的耐壓值。

3.1 電源防雷器的保護(hù)基理

3.1.1 泄放雷電電流

根據(jù)IEC分區(qū)防護(hù)理論，由于雷電電流大、電壓高、發(fā)生時(shí)間快的特點(diǎn)。根據(jù)相應(yīng)規(guī)范的要求，自然界中絕大多數(shù)雷電電流峰值不大于 65 kA（8/20 s），15 kA（10/350 s），所以規(guī)范提出第一級(jí)電源防雷器通流量須不小于以下要求：65 kA（8/20 s），15 kA（10/350 s），第二級(jí)電源防雷器通常要求通流量為40 kA（8/20 s），第三級(jí)電源防雷器通常要求通流量為20 kA（8/20 s）。

根據(jù)本次設(shè)備特殊安裝位置及耐壓值，在本系統(tǒng)總配電柜安裝第一級(jí)防雷器，對(duì)各分用電單元安裝第二級(jí)電源防雷器，對(duì)部分重要設(shè)備還安裝第三級(jí)防雷器。

3.1.2 降低雷電高電壓

依據(jù)IEC防雷分區(qū)原理，不同區(qū)域內(nèi)的用電設(shè)備的抗擊雷電的能力是有所不同，電房的配電設(shè)備的抗雷擊耐壓值是6 kV，普通用電設(shè)備（冰箱、空調(diào)等）的抗雷擊耐壓值為2 kV，電子設(shè)備（計(jì)算機(jī)、電視、音響等）的抗雷擊耐壓值是1.5 kV。

第一級(jí)防雷器安裝于總配電箱，將大部分雷電在此泄放，將雷電引起的高電壓箝位至6 kV以內(nèi)，對(duì)于要求嚴(yán)格的區(qū)域，第一級(jí)防雷器就需要將雷電箝位至2 kV；第二級(jí)防雷器安裝在各功能室的配電箱，將雷電引起的高電壓箝位至1.5 kV以內(nèi)或更低。

3.2 信號(hào)防雷器的保護(hù)基理

信號(hào)系統(tǒng)與電源系統(tǒng)一樣容易遭受感應(yīng)雷。雷擊發(fā)生時(shí)：一種情況是雷直接擊在線路或設(shè)備上，打壞設(shè)備或燒斷線纜；另外一種情況是在落雷點(diǎn)周圍1.5 km范圍內(nèi)的各種傳輸線上產(chǎn)生過電壓，然后傳輸?shù)皆O(shè)備，使之損壞；還有一種現(xiàn)象，就是雷擊在設(shè)備附近，強(qiáng)大的雷電電磁脈沖經(jīng)空間感應(yīng)到設(shè)備，使之失靈或永久性損壞。3種情況中，第一種情況發(fā)生的概率較小，而后2種情況發(fā)生的概率大、范圍廣，是雷擊事故中造成設(shè)備損壞的主要原因。

對(duì)于信號(hào)線路，防雷的解決方法是對(duì)進(jìn)出不同防雷區(qū)的信號(hào)線路安裝信號(hào)防雷器，信號(hào)防雷器要充分考慮被保護(hù)設(shè)備的工作頻率、平均輸出功率、連接器形式及特性阻抗等參數(shù)，保證防雷器安裝后，不會(huì)影響用戶設(shè)備的正常使用。

4 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的建筑物分類條例，以及中轉(zhuǎn)站所處地理環(huán)境的特殊性進(jìn)行設(shè)計(jì)，防雷器基本參數(shù)要求如表1所示。SPD是浪涌保護(hù)器（Surge Protection Device）的簡(jiǎn)稱。

表1 防雷器基本參數(shù)要求

5 結(jié)束語(yǔ)

圖1 一級(jí)防雷器防護(hù)原理

圖2 部分人工地網(wǎng)安裝

圖3 電子汽車衡自動(dòng)稱重系統(tǒng)部分防雷

圖4 中控系統(tǒng)部分防雷

改造已經(jīng)在南海綠電再生能源有限公司現(xiàn)有的7個(gè)生活垃圾中轉(zhuǎn)站實(shí)施（圖1～圖4）。改造后，2018 年的雷雨天氣，基本未造成設(shè)備故障損失，降低了設(shè)備故障率，有效保證了站點(diǎn)的正常營(yíng)運(yùn)。防雷器的選取至關(guān)重要，需要根據(jù)所保護(hù)的設(shè)備運(yùn)行方式，保護(hù)級(jí)別來確定。良好的接地系統(tǒng)加上優(yōu)良的防雷產(chǎn)品，可以為重要設(shè)備設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。