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浅析灌溉自动化产品中的防雷技术

发表时间:2019-08-18 09:26作者:宜昌溉帮来源:宜昌溉帮设备工程有限公司网址:http://www.yunzhaopa.com
农田灌溉实现智能化管理,便捷于生产,提高了效率,但是野外作业设备的维护要求很高,除了要针对高温,高湿,雨水,大风等恶劣条件事实存在要做到防范性设计,还要考虑到防雷设计。
很多工程商在为客户构建一个自动化灌溉系统的时候,一般很少考虑防雷问题,除非等到问题发生。因为如果提前考虑总是涉及到看起来一些不必要的投资,而客户对这些也不以为然,有时候他们通过查看自己购买自动化厂家提供的产品里面都是带防雷的:解码器有防雷模块,控制柜有防浪涌器,现场有避雷针…但是最后自己的系统却被雷电轻松损害。为什么?
灌溉自动化产品,往往都是分布在野外的现场控制,地理状况复杂,大部分都是距离地面很近,特别是有线电缆控制产品(变压器电源,总线解码器控制,人机操作控制柜等),有人从理论上统计遭雷击的概率要比低架空无线局域网控制产品多一倍。实践中似乎比这个比例更高,这也促使了很多技术专家为倾向用无线分布控制系统替代田间部署电缆的控制方式找到了一个更恰当的理由。
由于地域的区别,例如在干旱少雨的西北,受雷电损害的概率很低,在南方例如云南,广西,福建等一带频发雷害,少做防雷保护的系统很容易报废。
前期我们国内的灌溉工程商引进以色列产品的灌溉电磁阀解码器控制设备,大概他们对防雷技术的忽视(毕竟以色列干旱少雨,似乎碰不到雷电问题),在国内南方应用的时候,出现大面积的雷电损害而工程商束手无策,曾一度让这些大公司(Netafim,Talgil)等的产品背负了很久的“恶名”,国内一些灌溉技术专家“谈总线解码色变”。或许还因前期大部分进口产品服务商实质上都是产品销售商,他们对工程服务缺乏系统的概念和技术支持,让“进口产品的解码控制系统对防雷问题很脆弱”这个看法几乎成为普遍的印象。当然控制器星型布线方式招惹的雷电问题更多,大面积的放射状的布设电缆,感应雷被更大概率的引入控制系统,这让问题更复杂难以掌控。但是灌溉现场总线制的工程技术优势(稳定,廉价,长寿命)促使灌溉自动化公司技术革新,包括美国的Toro,Rainbird,Hunter等公司在防雷产品和灌溉系统设计方面都提供了大量的工程性解决方案,指导客户完善了防雷问题。
同时国内很多设计公司由于这个防雷问题不好解决,而对田间有线控制技术的未来发展一度也表现出悲观。
防雷设计的专业性很强,电力,通信,建筑行业都有成熟的设计规范可以参考,自动化电子电气产品有完善的防浪涌设计技术理论和技术模式,这并不是一个还需要做深入探索的技术体系,但是这一切需要我们去仔细研究并加以应用,才会有效果。事实上更多的问题往往是来自我们业主或者工程商甚至技术设计方对工程性防雷的一些误解,例如当我们看到一些田间的无线解码器支架上都挂着避雷针的设计依然在客户那里大量应用的时候,我们会发现设计者或许对防雷的理解需要进一步深入。(很多人误以为防雷就是装避雷针)
系统性防雷设计贯穿在灌溉自动化产品设计公司与施工工程商以及后期客户维护的整个产品周期里。
任何一个自动化灌溉工程,首先需要现场考察,协同甲方和工程设计方对区域进行评定,是否为雷灾区,有工程规划方提供本地区的完整地气象资料。如果是雷区,要做严谨针对性的防雷设计处理。一方面要求灌溉首部或者田间控制室和阀门井等基础工程建设中要严格按照国家标准进行建设,对避雷针,接地铜棒分布,地等电位处理等要规范严格(GB50057-2010 建筑物防雷设计规范)。另一方面就是灌溉自动化公司要根据自己产品的特性做针对性的处理和工程建议。
从广义上讲防雷包含两个概念,一是防雷击,二是防浪涌。雷击是雷雨云中电荷瞬间释放的现象,它能在周围引起高能、瞬变的电场及磁场。浪涌包括浪涌电流、浪涌电压,它是指电路中瞬间出现超过正常工作电压、电流的现象,雷击又可分为直击雷、非直击雷,直击雷是雷电直接作用到物体上,非直击雷则是通过电磁场感生出电动势、电流作用到物体上,两者都能产生浪涌电压、浪涌电流,直击雷通过大树,建筑物,避雷针引到地面,也会变为感应雷而产生更大的潜在危险。
任何一个工程都要对直击雷做首要的防护,例如通过避雷针,避雷带等集中处理。直击雷,一般是在一个控制区域作一次性集中处理,而不需要分布不同点。其次集中引雷要规避我们的田间设备,而不是在我们的设备上端做避雷针的引雷,这样适得其反。本质上说,我们所有的设备对直击雷是没有任何抵抗能力,我们唯一能做的就是躲避他,所以对电子器件损害更严重,影响更广泛的是感应雷,我们的防雷技术更多的是预防感应雷,这或者说敷设地下更容易被感应雷轰击。
首部的控制柜或者田间的控制箱体,要分别单独做好接地(接真实大地),接地电阻要不大于10欧母。同时考虑到一般农业供电的系统往往接地系统本身不规范,控制柜做单独大地接入非常必要。这点往往被很多工程公司忽视。接地良好,往往可以解决大部分感应雷或者其他电磁干扰,提高通讯可靠性大有帮助。
灌溉自动控制产品(集中控制器,电磁阀解码器,采集网关等),在线路板上一定要做好防雷线路处理,要最大限度的进行防雷。高质量的压敏电阻和放电管需要产品有外置的接地端子,否则没有任何作用,(例如Hunter的新解码器都直接给出了接地铜棒端子)。或者说我们假设引用了第三方的带防雷的485通讯模块,但是模块大地端子没有引到我们的电路板的外壳并去接大地,让这一切也毫无作用。
田间供电电源系统更容易引雷,产生的危害具有广泛性。但是好在我们得电力系统做了系列工程化防护,但是我们依然需要做二级三级防护,给电子外置专用防雷器,比如目前市面上在室外控制器加的二合一防雷器,三合一防雷器等,就是专门的外置防雷器,相对于内置的防雷元器件,这种防雷器更容易维护和更换,但是成本会相对高一些。当然,除了内置防雷元器件和安装外置防雷器之外,对线路进行适当屏蔽处理等,也是可以降低雷击事故几率的。
我们的电磁阀解码总线控制器分布在广阔田野中的地下,从理论上说,引雷的概率非常高。所有的泄雷都会到大地,而转变为感应雷。感应雷与反击雷(泄流后地的电平瞬间升高)在局部产生的压差会高达4000多伏特。一方面工程设计上远离泄流区域,例如避雷针附近,孤立大树(泄流作用很明显)至少10米远,防雷接地棒5米远,另一方面要做好一些基本设计防护措施,例如:
1.有线解码器的通信电缆尽量采用屏蔽线缆或者铠装,屏蔽线缆至少两端接地,深埋,接地电阻小于10欧母。这可以解决感应雷的通讯干扰问题,局部衰减感应雷的幅度,但是这不能解决感应电流击穿器件问题。
2.控制线缆雷电感应电动势是一种高频交变电压,位置等效在线缆中间。根据这个特征,感应雷的防护基本做法是对设备输入输出口设置“限压保护电路”,所以如果我们电磁阀解码器总线电缆是直埋电缆,尽量在通讯总线上安装泄流防雷模块,包铜防雷接地钢棒(雷电感应电流频率复杂,有集肤效应,铜皮包钢既能满足泄流,也能降低成本,提高强度),防雷接地棒距离总线距离最好不低于2米。为了降低接地电阻,线头之间最好是焊接,铜棒埋土后最好做灌盐处理,接地电阻不要大于10欧母。一般的防雷泄流响应速度都在50-70ns以内,足够解决防护问题,但是如果分布密度过低,让传输泄流的防护效果很差。其次即便用了最好质量的陶瓷放电管,它的放电有效次数也是有限的,寿命和放电效果很难有准确的评估,这是问题的风险所在,定期更换和检修是唯一稳妥的办法。
3.如果有条件或者投资允许,尽量将总线线缆安装到成品沟管道或者人工管道井最好,用大地做天然的隔离层,可以最大限度的降低雷击。这就是所谓隔离法。原理就是使电缆及其所连接的器件屏蔽在雷电感应区域之外,在实践中一般采取埋地铺设法,即电缆沿地下管道铺设,因大地的屏蔽保护不会感应雷电,但是埋地铺设工程量大,资金投入多。实际上电力电缆和重要通信电缆往往采用这种办法。
4.在总线预埋层上方10-20厘米增加同步防雷带或者增加排流线是电缆避雷中的主要防护措施之一,它是通过在电缆上方的一定距离处敷设一或两根导线,以此来减少电缆的雷击故障。这个办法很好,过大的投资会让业主望而却步。
5.如果现场允许,经验表明控制电缆可以穿管架空(低空,距离地面20厘米)敷设,会让防雷问题变得更加轻松。
简单总结:防雷工作需要认真阅读相关手册和厂家技术指导,本文主要想揭示防雷问题的几个要点,引起大家的重视和思考。
灌溉系统的防雷是个系统工程,很难有一劳永逸的解决办法,这意味着,从基础工程到设备本身,某个环节设计不合理,都会导致系统损毁甚至瘫痪,因此不要过分依赖厂家提供的防雷模块而忽视系统方面的设计的缺陷导致的防雷失败。灌溉自动化厂家提供的是产品,我们工程商需要交付给客户的却是一个系统。前面讲到的系统采用了防雷产品,但是接地系统没有做好,避雷针布置不合理等让所有产品的防雷不起作用。
当我们灌溉自动化厂家在提供产品的时候,要基于系统的角度给客户更全面的防雷技术指导。就像Rainbird或者Hunter,他们往往有相对完备的防雷技术手册,可以让客户最大程度的解决可能出现的隐患,这值得我们国内自动化公司认真学习。
严谨的防雷设计会增加投资,因此在工程安全和成本之间寻找一个平衡点,才是专业灌溉自动化工程技术公司进行设计施工的挑战所在。


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