防雷技术

雷电侵害DCS的途径及防范措施

作者：高天云
摘要：
　 　
概 述

2004年夏天，上海地区雷暴频频"发作"，共有4个火电厂的DCS及外围热控设备遭受雷电入侵而受到不同程度的损坏，此情况近年来所罕见。

案例1:2004年7月6、8日，某电厂4台300MW机组遭受2次雷击，瞬间造成4台机组全部退出AGC运行方式;其中3号机组A侧引风机轴承温度跃升十几度(最高达87°并发出"轴承温度高"报警)险些误跳风机;雷击使化学水处理系统外围的压力和温度变送器损坏10多台、损坏化水程控模块3块，损坏打印机、交换机等多台。

案例2:2004年8月4日，某电厂350MW机组遭强雷电截击，雷电后强大的雷电脉冲通过电源及信号电缆造成1号机组4块DCS的I/模块损坏、2号机组2块DCS模块损坏;外围水处理系统7台压力、温度变送器损坏;0号机组有20点轴承监测温度出现异常升高而产生误报警;另造成制氧1号高压氮压缩机电机轴承温度突升至连锁动作值而跳压缩机。

案例3:2004年8月16日，某自备电厂遭受雷击导致信息系统交换机端口损坏4块，造成管理信息系统(MIS)部分信息中断，

案例4:2004年8月22日，某自备电厂外围化水设备遭受雷击，雷击损坏化水处理池液位计1台、压力变送器3台，通过信号电缆传导造成Honeywell控制系统1块I/0模块损坏、部分程序丢失，还造成部分供热用户测量表计损坏。

2004年是上海地区近十几年来发电厂遭受雷击最多、热控设备损坏最严重、影响最大的一年。虽然没有造成机组的非计划停机或MFT动作，只是个别机组减出力运行，但是却提醒上海地区火电厂热控专业人员不能忽视热控系统的防雷问题。
通过调查和分析发现，这4起雷击多是在宽广的场地引发的，并通过信号或电源电缆将强雷电脉冲或感应雷过电压引入DCS引起模块损坏，没有1起是直接造成DCS控制设备损坏的。检查还发现存在个别现场露天安装表计外壳没有严格接地(以安装支架作为接地)、接地线松动及虚接地、主设备不接地及原接地线脱落等现象，这些都是引起DCS遭受雷害的诱因。

一、雷电入侵DCS的途径
雷电的表现形式主要有2种，一种是直击雷，是指带电云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。直击雷威力巨大，雷电压可达几万伏至几百万伏，瞬间电流可达十几万安，在雷电通路上，物体会被高温烧伤甚至融化;另一种是感应雷，是指当直击雷发生后，带电云层迅速消失，而地面上某些范围由于散流电阻大，出现局部高电压，或由于直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物因电磁感应而产生高电压以致发生闪击的现象，统计表明，感应雷引起的事故约占雷害事故的80%～90%。
1.1 建筑物外的侵入
(1)雷电远点袭击电力线。雷电首先击在电力线上，通过电力线直接击穿用电设备的电子元件，从而影响DCS的供电。(2)雷电近点电力线的入侵。实际上是雷电袭击用电设备所在的建筑物避雷针，引起雷电电磁脉冲，除通过避雷引线、水管、金属门窗等门地面有迁接的金属物质的雷电流外，剩下的部分将击穿UPS输出和输入对地线端，从而影响DCS的供电和网络设备。(3)错相位雷击。如果一个高能量雷打在一条火线上，而另一个低能量雷打在另一条火线上，线线之间会产生电压差侵入用电设备，直接影响三相UPS、DCS及整个控制系统的供电。
1.2 建筑物内感应雷击
雷电对DCS的危击主要是通过直击雷和雷电电磁脉冲干扰2种形式。
(1)雷电直接击中建筑物或地面，雷电流沿引下线、接地体流功过程中在土壤中产生强大的感应电磁场，通过感应耦合到DCS而损坏其电子元器件。另外，控制室建筑物的防直击雷装置在接闪时，强大的瞬间雷电流通过引下线流入接地装置，会使局部地电位浮动并产生跨步电压，若防雷接地装置是独立的，它和控制系统的接地体没有足够的绝缘距离，它们之间会放电(称为雷电反击)而对DCS的I/0模块产生干扰或破坏，如前述4起雷害中的案例1、4。


(2)雷电电磁脉冲干扰是指强大的雷闪电流产生的脉冲电磁场，它对DCS的干扰有:a.控制室建筑物的防直击雷装置接闪时，引下线会流过强大的瞬间雷电流，如在引下线一定距离内有连接DCS的电源及I/0电缆等，则引下线内的雷电流会对这些电缆产生电磁辐射，将雷电流引入DCS损坏I/0模块(如前述案例2);b.控制室周围发生雷击放电时，会在各种金属管道、电缆线路上产生感应电压。如果这些管道和线路引入到控制室把过电压传导到DCS上，也会对DCS产生干扰或损坏。

二、DCS及控制室防雷主要措施
雷电会产生强大的电磁波，一般0.24mT的电磁波冲击就能造成电子设备的直接损坏，0.003mT的电磁波冲击就能造成电子设备的误动，因此，自20世纪90年代起，IEC先后颁布了文献[1]、[2]等防雷标准。我回颁布了GB 50057-1994《建筑物防雷设计规范》的同家标准[3]。该标准第6章专门规定了“防雷击电磁脉冲"的要求，表明防雷技术已引起国内各行业的重视。
2.1 控制室的防雷
根据文献[3]规定，按防雷要求分为一、二、三类防雷建筑物。一类要求最高;二类次之。DCS控制室如果和生产设备在同一建筑物内，其防直击雷设施应根据生产设备的特点综合确定和设计。如果DCS控制室是独立的建筑物，应按该标准规定的三类防雷建筑物的标准设防。

将控制室的墙和钢筋、金属门窗等进行等电位联接，并与防直击雷的接地装置相联，使控制室形成一个法拉第笼，可减少雷电磁脉冲的影响[4]。控制室有许多电缆和外部相联，因此要对从室外进入控制室的各种电缆采取屏蔽措施，对容易被雷电波侵入的地方更应重视，只有堵死一切雷电导入的通路，才能有效保护DCS设备免受雷电的侵害。
2.2 DCS设备的防雷
DCS应用中最不清楚但又必须解决的问题就是接地问题。不仅很多用户不清楚，甚至有的DCS厂家也未必很清楚。各DCS厂家为保证系统能在各种复杂的应用现场正常运行，提出的接地要求也各不相同，不但概念比较笼统、模糊(如将工作接地和保护接地混为一谈)，而且对接地的具体技术要求也存在较大差异，有的很苛刻，有的则相对较宽松，如 I/A Series对内部交流地、逻辑地、系统地是不区分的，当电源的3根线(相线、零线、地线)接到机柜的配电盒时，即完成了系统接地。TELEPERM一ME采用1个接地点且与电气网共地方式.H一3000的安全地采用就地接大地或接入汇集板(总接地板)，而系统地(直流工作地)则采用汇集板接地方式。而INFI一90则以大地零电位为参考电位。但不管如何不同，用户应注意如下2点。
(1)保护接地:DCS的所有设备均有一个保护地，该保护地一般在机柜和其它设备设计加工时已在内部接好，有的系统已将该保护地在内部同电源进线的保护地(三芯插头的中间头)连在一起，有的不允许将保护地同该线相连，用户一定要仔细阅读厂家提供的接地安装说明书，不管哪种方式，保护接地必须将一台设备上所有的外设或系统的保护接地连在一起，然后用较粗的绝缘铜导线将各站的保护接地连在一起，再从一点上与大地接地系统相连。

(2)屏蔽地(模拟地):是所有接地中要求最高的一种。几乎所有的DCS都提出屏蔽地一点接地，且接地电阻小于lΩ。在DCS机柜内部都安置了屏蔽地汇流排，用户在接线时将屏蔽线分别接到屏蔽地汇流排上，在机柜底部，用绝缘的铜辫连到一点，然后将各机柜的汇流点再用绝缘的铜辫或铜条以辐射状连到接地点上。大多数的DCS不仅要求各机柜屏蔽地对地电阻小于lΩ，且各机柜间的电阻也要小于1Ω。
不同的接地方式对接地电阻的要求也不同。电力部门对DCS接地电阻的要求是:采用独立接地时 接地电阻小于4Ω;采用与电气网共地时接地电阻应小于lΩ;采用防雷地、电气地、DCS地三者共地时应小于0.5Ω，实测结果说明火电厂电气接地网的接地电阻可达到小于0.1Ω[5]。
文献[6]对屏蔽电缆的接地原则上要求一端接地，另一端悬空。但单端接地只能防静电感应，不能防磁场强度变化所感应的电压，不能阻碍雷电波的侵入。为减少屏蔽芯线的感应电压，仅在屏蔽层一端做等电位联接的情况下，应采用有绝缘隔开的双层屏蔽，外层屏蔽(如用金属走线槽或穿线金属管作为第2屏蔽层)应至少在两端做等电位联接。从防雷角度看，走线糟及穿线金属管应选择金属材质而不应选用环氧树脂等绝缘材料。

要将DCS的接地系统和防雷电系统的接地系统进行等地位联接，即使受到雷电反击，它们之间因不存在电位差，所以不可能通过雷电反击构成对电子元件的威胁，因此等电位联接是DCS免遭雷击的重要措施。
企业以太网的防雷是确保网络安全的重要方向，特别是多雷地区一些采用粗缆将各分厂相互连接的企业，雷电经常会造成交换机、计算机及其网络接口卡等设备损坏(如前述案例3)。对这种粗缆遭雷击情况分析表明，凡室外敷设电缆埋地深度在0.6m以上时，几乎不会将雷电波引入网卡，对防雷是非常有利的。
2.3 防雷接地及布线
防雷工程的一个重要方面是接地及引下线路的布线问题[4，7]，整个工程的防雷效果如何甚至防雷器件能不能发挥作用都与此有关。因为所有的防雷设施都需要通过接地系统把雷电流泄入大地，从而保护设备和人身。如果接地系统做得不好，不但会引起设备故障、烧坏元器件，严重时还将危及工作人员的生命安全。恃别是强功能高价值设备的广泛应用，要求更可靠的接地保护;另一方面由于微电子技术的发展，使现代电子设备要求更低的接地电阻。

相关技术规范对不同类型的接地系统接地电阻有明确规定，通常在设计时要求:(1)接地连接方式和接地参数并重;(2)以减少或消除同系统中不同性质的接地(如防雷接地、工作地、外壳接地、静电地、信号地等)之间的电位差为目的，选用适当的布线方式;(3)根据地网所在地的接地电阻、土层分布等地质情况，尽量进行准确设计施工。此外，要认真做好接地系统的定期维护保养，特别是在每年雷电到来前应做好:(1)对全厂接地网的完好程度、接地电阻大小等进行检测，对投产多年的电厂，要认真做好接地网寿命周期、接地体腐蚀状况评估，发现问题及时整改;(2)认真检查露天安装控制设备(变送器、液位计等)壳体、屏蔽电缆、走线槽等接地状况，严防接地线缆松动、虚接、脱落、接地电阻过大等异常情况的发生。
2.4 防雷电保护器
防雷器的作用就是在最短时间内将线路上因感应雷产生的浪涌电流释放到地网，使建筑物内各点之间电位差大致不变，从而保护设备。电源保护器(SPD)是一种限制瞬态过电压和分走电涌电流的器件。按其在DCS中的用途可分为电源防雷器、I/O防雷器和通信线路防雷器3种。当有连结电缆从室外或其它系统进入控制室时，装设SPD可防护电子设备免遭雷电浪涌的闪击。但如所有I/0通道都装设 SPD，成本将大幅上升。应按实用性、发生雷击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费。

各种防雷器性能再好，如没有很好的接地装置也难奏效，因为以千安计算的强大雷电流要在地电阻上形成很高的电压，接地电阻越大，该电压就越高。因此，尽量减小接地电阻是有效防雷的基础条件。
三、结 语
DCS的防雷工作不是简单的避雷设施的安装和堆砌，而是一项要求高、难度大的系统工程，涉及多方面因素。为此，必须贯彻经济、实用、高标准、严要求、高起点、高可靠性原则，在遵守有关国家标准、行业标准的基础上，还应参考和引入IEC有关防雷标准要求，以达到更好的防雷效果，确保DCS的可靠、稳定、健康运行。