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，上海地區雷暴頻頻"發作"，共有4個火電廠的DCS及外圍熱控設備遭受雷電入侵而受到不同程度的損壞，此情況近年來所罕見。

案例1:2004年7月6、8日，某電廠4臺300MW機組遭受2次雷擊，瞬間造成4臺機組全部退出AGC運行方式;其中3號機組A側引風機軸承溫度躍升十幾度(最高達87°并發出"軸承溫度高"報警)險些誤跳風機;雷擊使化學水處理系統外圍的壓力和溫度變送器損壞10多臺、損壞化水程控模塊3塊，損壞打印機、交換機等多臺。

案例2:2004年8月4日，某電廠350MW機組遭強雷電截擊，雷電后強大的雷電脈沖通過電源及信號電纜造成1號機組4塊DCS的I/模塊損壞、2號機組2塊DCS模塊損壞;外圍水處理系統7臺壓力、溫度變送器損壞;0號機組有20點軸承監測溫度出現異常升高而產生誤報警;另造成制氧1號高壓氮壓縮機電機軸承溫度突升至連鎖動作值而跳壓縮機。

案例3:2004年8月16日，某自備電廠遭受雷擊導致信息系統交換機端口損壞4塊，造成管理信息系統(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備遭受雷擊，雷擊損壞化水處理池液位計1臺、壓力變送器3臺，通過信號電纜傳導造成Honeywell控制系統1塊I/0模塊損壞、部分程序丟失，還造成部分供熱用戶測量表計損壞。

2004年是上海地區近十幾年來發電廠遭受雷擊最多、熱控設備損壞最嚴重、影響最大的一年。雖然沒有造成機組的非計劃停機或MFT動作，只是個別機組減出力運行，但是卻提醒上海地區火電廠熱控專業人員不能忽視熱控系統的防雷問題。
通過調查和分析發現，這4起雷擊多是在寬廣的場地引發的，并通過信號或電源電纜將強雷電脈沖或感應雷過電壓引入DCS引起模塊損壞，沒有1起是直接造成DCS控制設備損壞的。檢查還發現存在個別現場露天安裝表計外殼沒有嚴格接地(以安裝支架作為接地)、接地線松動及虛接地、主設備不接地及原接地線脫落等現象，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之間發生迅猛的放電現象。直擊雷威力巨大，雷電壓可達幾萬伏至幾百萬伏，瞬間電流可達十幾萬安，在雷電通路上，物體會被高溫燒傷甚至融化;另一種是感應雷，是指當直擊雷發生后，帶電云層迅速消失，而地面上某些范圍由于散流電阻大，出現局部高電壓，或由于直擊雷放電過程中，強大的脈沖電流對周圍的導線或金屬物因電磁感應而產生高電壓以致發生閃擊的現象，統計表明，感應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)雷電遠點襲擊電力線。雷電首先擊在電力線上，通過電力線直接擊穿用電設備的電子元件，從而影響DCS的供電。(2)雷電近點電力線的入侵。實際上是雷電襲擊用電設備所在的建筑物避雷針，引起雷電電磁脈沖，除通過避雷引線、水管、金屬門窗等門地面有遷接的金屬物質的雷電流外，剩下的部分將擊穿UPS輸出和輸入對地線端，從而影響DCS的供電和網絡設備。(3)錯相位雷擊。如果一個高能量雷打在一條火線上，而另一個低能量雷打在另一條火線上，線線之間會產生電壓差侵入用電設備，直接影響三相UPS、DCS及整個控制系統的供電。
1.2 建筑物內感應雷擊
雷電對DCS的危擊主要是通過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、接地體流功過程中在土壤中產生強大的感應電磁場，通過感應耦合到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，強大的瞬間雷電流通過引下線流入接地裝置，會使局部地電位浮動并產生跨步電壓，若防雷接地裝置是獨立的，它和控制系統的接地體沒有足夠的絕緣距離，它們之間會放電(稱為雷電反擊)而對DCS的I/0模塊產生干擾或破壞，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大的雷閃電流產生的脈沖電磁場，它對DCS的干擾有:a.控制室建筑物的防直擊雷裝置接閃時，引下線會流過強大的瞬間雷電流，如在引下線一定距離內有連接DCS的電源及I/0電纜等，則引下線內的雷電流會對這些電纜產生電磁輻射，將雷電流引入DCS損壞I/0模塊(如前述案例2);b.控制室周圍發生雷擊放電時，會在各種金屬管道、電纜線路上產生感應電壓。如果這些管道和線路引入到控制室把過電壓傳導到DCS上，也會對DCS產生干擾或損壞。

二、DCS及控制室防雷主要措施
雷電會產生強大的電磁波，一般0.24mT的電磁波沖擊就能造成電子設備的直接損壞，0.003mT的電磁波沖擊就能造成電子設備的誤動，因此，自20世紀90年代起，IEC先后頒布了文獻[1]、[2]等防雷標準。我回頒布了GB 50057-1994《建筑物防雷設計規范》的同家標準[3]。該標準第6章專門規定了“防雷擊電磁脈沖"的要求，表明防雷技術已引起國內各行業的重視。
2.1 控制室的防雷
根據文獻[3]規定，按防雷要求分為一、二、三類防雷建筑物。一類要求最高;二類次之。DCS控制室如果和生產設備在同一建筑物內，其防直擊雷設施應根據生產設備的特點綜合確定和設計。如果DCS控制室是獨立的建筑物，應按該標準規定的三類防雷建筑物的標準設防。

將控制室的墻和鋼筋、金屬門窗等進行等電位聯接，并與防直擊雷的接地裝置相聯，使控制室形成一個法拉第籠，可減少雷電磁脈沖的影響[4]?？刂剖矣性S多電纜和外部相聯，因此要對從室外進入控制室的各種電纜采取屏蔽措施，對容易被雷電波侵入的地方更應重視，只有堵死一切雷電導入的通路，才能有效保護DCS設備免受雷電的侵害。
2.2 DCS設備的防雷
DCS應用中最不清楚但又必須解決的問題就是接地問題。不僅很多用戶不清楚，甚至有的DCS廠家也未必很清楚。各DCS廠家為保證系統能在各種復雜的應用現場正常運行，提出的接地要求也各不相同，不但概念比較籠統、模糊(如將工作接地和保護接地混為一談)，而且對接地的具體技術要求也存在較大差異，有的很苛刻，有的則相對較寬松，如 I/A Series對內部交流地、邏輯地、系統地是不區分的，當電源的3根線(相線、零線、地線)接到機柜的配電盒時，即完成了系統接地。TELEPERM一ME采用1個接地點且與電氣網共地方式.H一3000的安全地采用就地接大地或接入匯集板(總接地板)，而系統地(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，用戶應注意如下2點。
(1)保護接地:DCS的所有設備均有一個保護地，該保護地一般在機柜和其它設備設計加工時已在內部接好，有的系統已將該保護地在內部同電源進線的保護地(三芯插頭的中間頭)連在一起，有的不允許將保護地同該線相連，用戶一定要仔細閱讀廠家提供的接地安裝說明書，不管哪種方式，保護接地必須將一臺設備上所有的外設或系統的保護接地連在一起，然后用較粗的絕緣銅導線將各站的保護接地連在一起，再從一點上與大地接地系統相連。

(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都提出屏蔽地一點接地，且接地電阻小于lΩ。在DCS機柜內部都安置了屏蔽地匯流排，用戶在接線時將屏蔽線分別接到屏蔽地匯流排上，在機柜底部，用絕緣的銅辮連到一點，然后將各機柜的匯流點再用絕緣的銅辮或銅條以輻射狀連到接地點上。大多數的DCS不僅要求各機柜屏蔽地對地電阻小于lΩ，且各機柜間的電阻也要小于1Ω。
不同的接地方式對接地電阻的要求也不同。電力部門對DCS接地電阻的要求是:采用獨立接地時 接地電阻小于4Ω;采用與電氣網共地時接地電阻應小于lΩ;采用防雷地、電氣地、DCS地三者共地時應小于0.5Ω，實測結果說明火電廠電氣接地網的接地電阻可達到小于0.1Ω[5]。
文獻[6]對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，不能防磁場強度變化所感應的電壓，不能阻礙雷電波的侵入。為減少屏蔽芯線的感應電壓，僅在屏蔽層一端做等電位聯接的情況下，應采用有絕緣隔開的雙層屏蔽，外層屏蔽(如用金屬走線槽或穿線金屬管作為第2屏蔽層)應至少在兩端做等電位聯接。從防雷角度看，走線糟及穿線金屬管應選擇金屬材質而不應選用環氧樹脂等絕緣材料。

要將DCS的接地系統和防雷電系統的接地系統進行等地位聯接，即使受到雷電反擊，它們之間因不存在電位差，所以不可能通過雷電反擊構成對電子元件的威脅，因此等電位聯接是DCS免遭雷擊的重要措施。
企業以太網的防雷是確保網絡安全的重要方向，特別是多雷地區一些采用粗纜將各分廠相互連接的企業，雷電經常會造成交換機、計算機及其網絡接口卡等設備損壞(如前述案例3)。對這種粗纜遭雷擊情況分析表明，凡室外敷設電纜埋地深度在0.6m以上時，幾乎不會將雷電波引入網卡，對防雷是非常有利的。
2.3 防雷接地及布線
防雷工程的一個重要方面是接地及引下線路的布線問題[4，7]，整個工程的防雷效果如何甚至防雷器件能不能發揮作用都與此有關。因為所有的防雷設施都需要通過接地系統把雷電流泄入大地，從而保護設備和人身。如果接地系統做得不好，不但會引起設備故障、燒壞元器件，嚴重時還將危及工作人員的生命安全。恃別是強功能高價值設備的廣泛應用，要求更可靠的接地保護;另一方面由于微電子技術的發展，使現代電子設備要求更低的接地電阻。

相關技術規范對不同類型的接地系統接地電阻有明確規定，通常在設計時要求:(1)接地連接方式和接地參數并重;(2)以減少或消除同系統中不同性質的接地(如防雷接地、工作地、外殼接地、靜電地、信號地等)之間的電位差為目的，選用適當的布線方式;(3)根據地網所在地的接地電阻、土層分布等地質情況，盡量進行準確設計施工。此外，要認真做好接地系統的定期維護保養，特別是在每年雷電到來前應做好:(1)對全廠接地網的完好程度、接地電阻大小等進行檢測，對投產多年的電廠，要認真做好接地網壽命周期、接地體腐蝕狀況評估，發現問題及時整改;(2)認真檢查露天安裝控制設備(變送器、液位計等)殼體、屏蔽電纜、走線槽等接地狀況，嚴防接地線纜松動、虛接、脫落、接地電阻過大等異常情況的發生。
2.4 防雷電保護器
防雷器的作用就是在最短時間內將線路上因感應雷產生的浪涌電流釋放到地網，使建筑物內各點之間電位差大致不變，從而保護設備。電源保護器(SPD)是一種限制瞬態過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。當有連結電纜從室外或其它系統進入控制室時，裝設SPD可防護電子設備免遭雷電浪涌的閃擊。但如所有I/0通道都裝設 SPD，成本將大幅上升。應按實用性、發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。

各種防雷器性能再好，如沒有很好的接地裝置也難奏效，因為以千安計算的強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條件。
三、結 語
DCS的防雷工作不是簡單的避雷設施的安裝和堆砌，而是一項要求高、難度大的系統工程，涉及多方面因素。為此，必須貫徹經濟、實用、高標準、嚴要求、高起點、高可靠性原則，在遵守有關國家標準、行業標準的基礎上，還應參考和引入IEC有關防雷標準要求，以達到更好的防雷效果，確保DCS的可靠、穩定、健康運行。