雷電侵害DCS的途徑及防范措施

作者：高天云
摘要：
　 　
概 述

2004年夏天，上海地區(qū)雷暴頻頻"發(fā)作"，共有4個(gè)火電廠的DCS及外圍熱控設(shè)備遭受雷電入侵而受到不同程度的損壞，此情況近年來(lái)所罕見(jiàn)。

案例1:2004年7月6、8日，某電廠4臺(tái)300MW機(jī)組遭受2次雷擊，瞬間造成4臺(tái)機(jī)組全部退出AGC運(yùn)行方式;其中3號(hào)機(jī)組A側(cè)引風(fēng)機(jī)軸承溫度躍升十幾度(最高達(dá)87°并發(fā)出"軸承溫度高"報(bào)警)險(xiǎn)些誤跳風(fēng)機(jī);雷擊使化學(xué)水處理系統(tǒng)外圍的壓力和溫度變送器損壞10多臺(tái)、損壞化水程控模塊3塊，損壞打印機(jī)、交換機(jī)等多臺(tái)。

案例2:2004年8月4日，某電廠350MW機(jī)組遭強(qiáng)雷電截?fù)簦纂姾髲?qiáng)大的雷電脈沖通過(guò)電源及信號(hào)電纜造成1號(hào)機(jī)組4塊DCS的I/模塊損壞、2號(hào)機(jī)組2塊DCS模塊損壞;外圍水處理系統(tǒng)7臺(tái)壓力、溫度變送器損壞;0號(hào)機(jī)組有20點(diǎn)軸承監(jiān)測(cè)溫度出現(xiàn)異常升高而產(chǎn)生誤報(bào)警;另造成制氧1號(hào)高壓氮壓縮機(jī)電機(jī)軸承溫度突升至連鎖動(dòng)作值而跳壓縮機(jī)。

案例3:2004年8月16日，某自備電廠遭受雷擊導(dǎo)致信息系統(tǒng)交換機(jī)端口損壞4塊，造成管理信息系統(tǒng)(MIS)部分信息中斷，

案例4:2004年8月22日，某自備電廠外圍化水設(shè)備遭受雷擊，雷擊損壞化水處理池液位計(jì)1臺(tái)、壓力變送器3臺(tái)，通過(guò)信號(hào)電纜傳導(dǎo)造成Honeywell控制系統(tǒng)1塊I/0模塊損壞、部分程序丟失，還造成部分供熱用戶測(cè)量表計(jì)損壞。

2004年是上海地區(qū)近十幾年來(lái)發(fā)電廠遭受雷擊最多、熱控設(shè)備損壞最嚴(yán)重、影響最大的一年。雖然沒(méi)有造成機(jī)組的非計(jì)劃停機(jī)或MFT動(dòng)作，只是個(gè)別機(jī)組減出力運(yùn)行，但是卻提醒上海地區(qū)火電廠熱控專(zhuān)業(yè)人員不能忽視熱控系統(tǒng)的防雷問(wèn)題。
通過(guò)調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn)，這4起雷擊多是在寬廣的場(chǎng)地引發(fā)的，并通過(guò)信號(hào)或電源電纜將強(qiáng)雷電脈沖或感應(yīng)雷過(guò)電壓引入DCS引起模塊損壞，沒(méi)有1起是直接造成DCS控制設(shè)備損壞的。檢查還發(fā)現(xiàn)存在個(gè)別現(xiàn)場(chǎng)露天安裝表計(jì)外殼沒(méi)有嚴(yán)格接地(以安裝支架作為接地)、接地線松動(dòng)及虛接地、主設(shè)備不接地及原接地線脫落等現(xiàn)象，這些都是引起DCS遭受雷害的誘因。

一、雷電入侵DCS的途徑
雷電的表現(xiàn)形式主要有2種，一種是直擊雷，是指帶電云層與大地上某一點(diǎn)之間發(fā)生迅猛的放電現(xiàn)象。直擊雷威力巨大，雷電壓可達(dá)幾萬(wàn)伏至幾百萬(wàn)伏，瞬間電流可達(dá)十幾萬(wàn)安，在雷電通路上，物體會(huì)被高溫?zé)齻踔寥诨?另一種是感應(yīng)雷，是指當(dāng)直擊雷發(fā)生后，帶電云層迅速消失，而地面上某些范圍由于散流電阻大，出現(xiàn)局部高電壓，或由于直擊雷放電過(guò)程中，強(qiáng)大的脈沖電流對(duì)周?chē)膶?dǎo)線或金屬物因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生高電壓以致發(fā)生閃擊的現(xiàn)象，統(tǒng)計(jì)表明，感應(yīng)雷引起的事故約占雷害事故的80%～90%。
1.1 建筑物外的侵入
(1)雷電遠(yuǎn)點(diǎn)襲擊電力線。雷電首先擊在電力線上，通過(guò)電力線直接擊穿用電設(shè)備的電子元件，從而影響DCS的供電。(2)雷電近點(diǎn)電力線的入侵。實(shí)際上是雷電襲擊用電設(shè)備所在的建筑物避雷針，引起雷電電磁脈沖，除通過(guò)避雷引線、水管、金屬門(mén)窗等門(mén)地面有遷接的金屬物質(zhì)的雷電流外，剩下的部分將擊穿UPS輸出和輸入對(duì)地線端，從而影響DCS的供電和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。(3)錯(cuò)相位雷擊。如果一個(gè)高能量雷打在一條火線上，而另一個(gè)低能量雷打在另一條火線上，線線之間會(huì)產(chǎn)生電壓差侵入用電設(shè)備，直接影響三相UPS、DCS及整個(gè)控制系統(tǒng)的供電。
1.2 建筑物內(nèi)感應(yīng)雷擊
雷電對(duì)DCS的危擊主要是通過(guò)直擊雷和雷電電磁脈沖干擾2種形式。
(1)雷電直接擊中建筑物或地面，雷電流沿引下線、接地體流功過(guò)程中在土壤中產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)電磁場(chǎng)，通過(guò)感應(yīng)耦合到DCS而損壞其電子元器件。另外，控制室建筑物的防直擊雷裝置在接閃時(shí)，強(qiáng)大的瞬間雷電流通過(guò)引下線流入接地裝置，會(huì)使局部地電位浮動(dòng)并產(chǎn)生跨步電壓，若防雷接地裝置是獨(dú)立的，它和控制系統(tǒng)的接地體沒(méi)有足夠的絕緣距離，它們之間會(huì)放電(稱為雷電反擊)而對(duì)DCS的I/0模塊產(chǎn)生干擾或破壞，如前述4起雷害中的案例1、4。


(2)雷電電磁脈沖干擾是指強(qiáng)大的雷閃電流產(chǎn)生的脈沖電磁場(chǎng)，它對(duì)DCS的干擾有:a.控制室建筑物的防直擊雷裝置接閃時(shí)，引下線會(huì)流過(guò)強(qiáng)大的瞬間雷電流，如在引下線一定距離內(nèi)有連接DCS的電源及I/0電纜等，則引下線內(nèi)的雷電流會(huì)對(duì)這些電纜產(chǎn)生電磁輻射，將雷電流引入DCS損壞I/0模塊(如前述案例2);b.控制室周?chē)l(fā)生雷擊放電時(shí)，會(huì)在各種金屬管道、電纜線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。如果這些管道和線路引入到控制室把過(guò)電壓傳導(dǎo)到DCS上，也會(huì)對(duì)DCS產(chǎn)生干擾或損壞。

二、DCS及控制室防雷主要措施
雷電會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁波，一般0.24mT的電磁波沖擊就能造成電子設(shè)備的直接損壞，0.003mT的電磁波沖擊就能造成電子設(shè)備的誤動(dòng)，因此，自20世紀(jì)90年代起，IEC先后頒布了文獻(xiàn)[1]、[2]等防雷標(biāo)準(zhǔn)。我回頒布了GB 50057-1994《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的同家標(biāo)準(zhǔn)[3]。該標(biāo)準(zhǔn)第6章專(zhuān)門(mén)規(guī)定了“防雷擊電磁脈沖"的要求，表明防雷技術(shù)已引起國(guó)內(nèi)各行業(yè)的重視。
2.1 控制室的防雷
根據(jù)文獻(xiàn)[3]規(guī)定，按防雷要求分為一、二、三類(lèi)防雷建筑物。一類(lèi)要求最高;二類(lèi)次之。DCS控制室如果和生產(chǎn)設(shè)備在同一建筑物內(nèi)，其防直擊雷設(shè)施應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的特點(diǎn)綜合確定和設(shè)計(jì)。如果DCS控制室是獨(dú)立的建筑物，應(yīng)按該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的三類(lèi)防雷建筑物的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防。

將控制室的墻和鋼筋、金屬門(mén)窗等進(jìn)行等電位聯(lián)接，并與防直擊雷的接地裝置相聯(lián)，使控制室形成一個(gè)法拉第籠，可減少雷電磁脈沖的影響[4]。控制室有許多電纜和外部相聯(lián)，因此要對(duì)從室外進(jìn)入控制室的各種電纜采取屏蔽措施，對(duì)容易被雷電波侵入的地方更應(yīng)重視，只有堵死一切雷電導(dǎo)入的通路，才能有效保護(hù)DCS設(shè)備免受雷電的侵害。
2.2 DCS設(shè)備的防雷
DCS應(yīng)用中最不清楚但又必須解決的問(wèn)題就是接地問(wèn)題。不僅很多用戶不清楚，甚至有的DCS廠家也未必很清楚。各DCS廠家為保證系統(tǒng)能在各種復(fù)雜的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)正常運(yùn)行，提出的接地要求也各不相同，不但概念比較籠統(tǒng)、模糊(如將工作接地和保護(hù)接地混為一談)，而且對(duì)接地的具體技術(shù)要求也存在較大差異，有的很苛刻，有的則相對(duì)較寬松，如 I/A Series對(duì)內(nèi)部交流地、邏輯地、系統(tǒng)地是不區(qū)分的，當(dāng)電源的3根線(相線、零線、地線)接到機(jī)柜的配電盒時(shí)，即完成了系統(tǒng)接地。TELEPERM一ME采用1個(gè)接地點(diǎn)且與電氣網(wǎng)共地方式.H一3000的安全地采用就地接大地或接入?yún)R集板(總接地板)，而系統(tǒng)地(直流工作地)則采用匯集板接地方式。而INFI一90則以大地零電位為參考電位。但不管如何不同，用戶應(yīng)注意如下2點(diǎn)。
(1)保護(hù)接地:DCS的所有設(shè)備均有一個(gè)保護(hù)地，該保護(hù)地一般在機(jī)柜和其它設(shè)備設(shè)計(jì)加工時(shí)已在內(nèi)部接好，有的系統(tǒng)已將該保護(hù)地在內(nèi)部同電源進(jìn)線的保護(hù)地(三芯插頭的中間頭)連在一起，有的不允許將保護(hù)地同該線相連，用戶一定要仔細(xì)閱讀廠家提供的接地安裝說(shuō)明書(shū)，不管哪種方式，保護(hù)接地必須將一臺(tái)設(shè)備上所有的外設(shè)或系統(tǒng)的保護(hù)接地連在一起，然后用較粗的絕緣銅導(dǎo)線將各站的保護(hù)接地連在一起，再?gòu)囊稽c(diǎn)上與大地接地系統(tǒng)相連。

(2)屏蔽地(模擬地):是所有接地中要求最高的一種。幾乎所有的DCS都提出屏蔽地一點(diǎn)接地，且接地電阻小于lΩ。在DCS機(jī)柜內(nèi)部都安置了屏蔽地匯流排，用戶在接線時(shí)將屏蔽線分別接到屏蔽地匯流排上，在機(jī)柜底部，用絕緣的銅辮連到一點(diǎn)，然后將各機(jī)柜的匯流點(diǎn)再用絕緣的銅辮或銅條以輻射狀連到接地點(diǎn)上。大多數(shù)的DCS不僅要求各機(jī)柜屏蔽地對(duì)地電阻小于lΩ，且各機(jī)柜間的電阻也要小于1Ω。
不同的接地方式對(duì)接地電阻的要求也不同。電力部門(mén)對(duì)DCS接地電阻的要求是:采用獨(dú)立接地時(shí) 接地電阻小于4Ω;采用與電氣網(wǎng)共地時(shí)接地電阻應(yīng)小于lΩ;采用防雷地、電氣地、DCS地三者共地時(shí)應(yīng)小于0.5Ω，實(shí)測(cè)結(jié)果說(shuō)明火電廠電氣接地網(wǎng)的接地電阻可達(dá)到小于0.1Ω[5]。
文獻(xiàn)[6]對(duì)屏蔽電纜的接地原則上要求一端接地，另一端懸空。但單端接地只能防靜電感應(yīng)，不能防磁場(chǎng)強(qiáng)度變化所感應(yīng)的電壓，不能阻礙雷電波的侵入。為減少屏蔽芯線的感應(yīng)電壓，僅在屏蔽層一端做等電位聯(lián)接的情況下，應(yīng)采用有絕緣隔開(kāi)的雙層屏蔽，外層屏蔽(如用金屬走線槽或穿線金屬管作為第2屏蔽層)應(yīng)至少在兩端做等電位聯(lián)接。從防雷角度看，走線糟及穿線金屬管應(yīng)選擇金屬材質(zhì)而不應(yīng)選用環(huán)氧樹(shù)脂等絕緣材料。

要將DCS的接地系統(tǒng)和防雷電系統(tǒng)的接地系統(tǒng)進(jìn)行等地位聯(lián)接，即使受到雷電反擊，它們之間因不存在電位差，所以不可能通過(guò)雷電反擊構(gòu)成對(duì)電子元件的威脅，因此等電位聯(lián)接是DCS免遭雷擊的重要措施。
企業(yè)以太網(wǎng)的防雷是確保網(wǎng)絡(luò)安全的重要方向，特別是多雷地區(qū)一些采用粗纜將各分廠相互連接的企業(yè)，雷電經(jīng)常會(huì)造成交換機(jī)、計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)接口卡等設(shè)備損壞(如前述案例3)。對(duì)這種粗纜遭雷擊情況分析表明，凡室外敷設(shè)電纜埋地深度在0.6m以上時(shí)，幾乎不會(huì)將雷電波引入網(wǎng)卡，對(duì)防雷是非常有利的。
2.3 防雷接地及布線
防雷工程的一個(gè)重要方面是接地及引下線路的布線問(wèn)題[4，7]，整個(gè)工程的防雷效果如何甚至防雷器件能不能發(fā)揮作用都與此有關(guān)。因?yàn)樗械姆览自O(shè)施都需要通過(guò)接地系統(tǒng)把雷電流泄入大地，從而保護(hù)設(shè)備和人身。如果接地系統(tǒng)做得不好，不但會(huì)引起設(shè)備故障、燒壞元器件，嚴(yán)重時(shí)還將危及工作人員的生命安全。恃別是強(qiáng)功能高價(jià)值設(shè)備的廣泛應(yīng)用，要求更可靠的接地保護(hù);另一方面由于微電子技術(shù)的發(fā)展，使現(xiàn)代電子設(shè)備要求更低的接地電阻。

相關(guān)技術(shù)規(guī)范對(duì)不同類(lèi)型的接地系統(tǒng)接地電阻有明確規(guī)定，通常在設(shè)計(jì)時(shí)要求:(1)接地連接方式和接地參數(shù)并重;(2)以減少或消除同系統(tǒng)中不同性質(zhì)的接地(如防雷接地、工作地、外殼接地、靜電地、信號(hào)地等)之間的電位差為目的，選用適當(dāng)?shù)牟季€方式;(3)根據(jù)地網(wǎng)所在地的接地電阻、土層分布等地質(zhì)情況，盡量進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)計(jì)施工。此外，要認(rèn)真做好接地系統(tǒng)的定期維護(hù)保養(yǎng)，特別是在每年雷電到來(lái)前應(yīng)做好:(1)對(duì)全廠接地網(wǎng)的完好程度、接地電阻大小等進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)投產(chǎn)多年的電廠，要認(rèn)真做好接地網(wǎng)壽命周期、接地體腐蝕狀況評(píng)估，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)整改;(2)認(rèn)真檢查露天安裝控制設(shè)備(變送器、液位計(jì)等)殼體、屏蔽電纜、走線槽等接地狀況，嚴(yán)防接地線纜松動(dòng)、虛接、脫落、接地電阻過(guò)大等異常情況的發(fā)生。
2.4 防雷電保護(hù)器
防雷器的作用就是在最短時(shí)間內(nèi)將線路上因感應(yīng)雷產(chǎn)生的浪涌電流釋放到地網(wǎng)，使建筑物內(nèi)各點(diǎn)之間電位差大致不變，從而保護(hù)設(shè)備。電源保護(hù)器(SPD)是一種限制瞬態(tài)過(guò)電壓和分走電涌電流的器件。按其在DCS中的用途可分為電源防雷器、I/O防雷器和通信線路防雷器3種。當(dāng)有連結(jié)電纜從室外或其它系統(tǒng)進(jìn)入控制室時(shí)，裝設(shè)SPD可防護(hù)電子設(shè)備免遭雷電浪涌的閃擊。但如所有I/0通道都裝設(shè) SPD，成本將大幅上升。應(yīng)按實(shí)用性、發(fā)生雷擊事故的可能性和后果，合理配置防雷器，以免造成不必要的浪費(fèi)。

各種防雷器性能再好，如沒(méi)有很好的接地裝置也難奏效，因?yàn)橐郧О灿?jì)算的強(qiáng)大雷電流要在地電阻上形成很高的電壓，接地電阻越大，該電壓就越高。因此，盡量減小接地電阻是有效防雷的基礎(chǔ)條件。
三、結(jié) 語(yǔ)
DCS的防雷工作不是簡(jiǎn)單的避雷設(shè)施的安裝和堆砌，而是一項(xiàng)要求高、難度大的系統(tǒng)工程，涉及多方面因素。為此，必須貫徹經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求、高起點(diǎn)、高可靠性原則，在遵守有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)參考和引入IEC有關(guān)防雷標(biāo)準(zhǔn)要求，以達(dá)到更好的防雷效果，確保DCS的可靠、穩(wěn)定、健康運(yùn)行。