资源描述
单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,DCS,遭雷击的案例分析和雷害的风险评估,徐义亨,浙江中控技术股份有限公司,1,本部分的主要内容,1 DCS,遭雷击的典型案例；,2 DCS,雷害的风险评估；,3,从,“,亡羊补牢,”,到,“,防患于未然,”,。,2,前言,我公司在近四年来对遭雷害的,DCS,进行案例分析和风,险评估，使我们逐渐清楚：,1,）雷电是通过什么,耦合途径,给,DCS,带来危害的；,2,）如何进行控制系统雷害的,风险评估,；,3,）自动化的,工程环境,对,DCS,防雷有着举足轻重的影响；,4,）应提高,DCS,本身的,电磁兼容性,（,EMC,）。,3,1 DCS,遭雷击的典型案例,4,1.1,某污水处理装置雷击案例,雷害时间,：,2002,年,6,月,28,日,.,现场情况,：,空旷、潮湿、有高压输电,线，是明显的引雷点。,该装置的,DCS,在厂长办公室,内设立了一个监控站，从控制室,到厂长办公室的通信电缆，在室,外大概有,6,米一段长度是和建筑,物的避雷带（相距仅,100mm,）平,行敷设的 。,事故情况,：,由于避雷带中的雷电流通过,电磁感应,，将高电位沿着通信电,缆引入系统，将两端的网卡击,穿,。,避雷带,通信电缆,5,解决方法：,方案一：拉开距离。将通信电缆重新敷设，保持和避雷带、引,下线起码要相隔,2,米以上的距离。同时还应在金属走线槽的两端接,地，槽与槽之间保持良好的电气连接。,方案二：改用光纤通信。这当然是解决问题的一种方案，但在,敷设光缆时同样也要注意光缆金属部分的防雷。,一点思考：,该装置的所有,I/O,信号电缆,全部在,0.8,米以下并用金属走线槽或,穿金属管埋地敷设，所以任凭雷击，所有的,I/O,卡都安然无恙。,这就引起我们的思考,-,关于信号传输线的双层屏蔽为什么能,起到防雷的作用。,6,1.2,某,化工公司邻硝装置案例分析,雷害时间,:,2004,年,3,月,17,日,.,事故情况,:,遭受雷击，现场的多,台变送器（包括德国的,E+H,液位,变送器）和对应的,AI,卡同时被雷,击坏。,变送器,安装支架,自然接地,7,事故原因：,由于控制系统采用单独接地，即便变送器的电子线路在现场侧没,有工作接地，而且它和变送器的外壳隔有一定间隙（或串接一个反向,二极管），但变送器的外壳和金属安装支架（或与金属设备相连）形,成了自然接地。当变送器附近的设备或建筑物遭雷击时，由于地电位,的浮动，可以使变送器和控制系统两处的地电位差达几万、几十万,伏，故通过信号电缆足以将变送器和控制系统的,AI,卡同时击穿，或击,穿其中之一（具体要视设备和导线的分压比）。,解决方法：,将变送器外壳和控制系统,通过共用接地网实现等电位接地,。,8,雷电反击原理图,变送器,DCS,150,米,几万、几十万伏地电位差,地电位分布曲线,引下线,9,1.3,某石蜡加氢装置案例分析,雷害时间：,2004,年,7,月,8,日下午,4,点。,事故情况：,遭受雷击。使操作站,的工控机的主板被雷击坏。,事故原因：,因为工控机所在机柜位于离大窗户和门口不到,0.8,米，承受着和室外一样的电磁场强度。而工控机的外壳没有屏蔽接地，遭雷击时，机柜门又半虚掩。,解决方法：,首先是工控机的外壳屏蔽接地。其次，将控制室建筑物内的钢筋、金属门窗等连接起来，进行格栅屏蔽。,10,一点思考,：该石油化工企业和,石蜡加氢装置,相距不到,30,米的,催化裂化装置,的,DCS,控制室，也为单层的独立建筑物，由于设置了防,直击雷装置（避雷带），却安然无恙。可见防直击雷装置对雷击电,磁脉冲（,LEMP,）有一定的衰减作用。所以，如控制系统所在的控制,室是独立建筑物，其周围有高大建筑，如用滚球法确定高大建筑接,闪器的保护范围，控制室所在的独立建筑物在该保护范围内时，虽,然控制室所在的独立建筑物可以不设防直击雷装置，但考虑到,防直,击雷装置对雷击电磁脉冲（,LEMP,）有一定的衰减作用,，所以该建筑,物还是宜按,GB 50057,建筑物防雷设计规范,中规定的第三类防雷,建筑物采取防直击雷措施。,11,1.4,某石化公司沥青装置的案例分析,雷害时间,：,2003,年,7,月,21,日。,12,某石化总厂沥青装置的控制室平面,13,问题,1,：,在雷电的当即，为什么显示器会发生黑屏？,2,秒钟后为什么又自动恢复？,据现场调查，在遭雷击时，控制室内的,UPS,没有发生停电事,故，控制器和操作站的电源开关也没有断开过。显示器黑屏,2,秒钟后,又恢复到黑屏前的显示画面，这说明操作站的主机在黑屏后也没有,重新启动过（即一直处于通电状态）。,因此遭成显示器黑屏的原因只能是强大的雷电电磁脉冲对阴极,射线管（,CRT,）内的电子束产生的干扰所至。因为距控制室南墙大,窗户只有,3,米左右的操作站，承受着和室外一样的电磁场强度。,这种干扰产生的后果是使显示器失效，而不是破坏。即显示器,在雷电电磁脉冲的作用下，失去正常功能，过,2,秒钟干扰消失后又恢,复正常。,14,问题,2,：,为什么连接在,I/O,信号卡前面的,LB900,型齐纳安全栅却安然,无恙，而,I/O,卡却坏了？,由齐纳安全栅原理图可知，无论是由非本安端或现场端，当电,压超过一定值时，要过毫秒级的时间（制造商提供的数据）后方使,齐纳二极管,VD1,、,VD2,反向击穿并产生雪崩，从而将能量释放到地,里去。而雷电脉冲的时间是,s,级的，远小于雪崩时间和快速熔断器,FA1,的熔断时间。,再则，如果雷电波在金属导线内的的传输速度为每秒,15,万公,里，假定安全栅位于,DCS,前面,3,米，则从安全栅到,DCS,的传输时间为,20ns,。如果一旦有雷电波从现场经过安全栅，还未等齐纳二极管产,生雪崩，雷电波已进入,DCS,系统，将,DCS,损坏，把进入的雷电能量释,放掉的同时从而也保护了安全栅。所以为什么雷击时，,I/O,卡损坏,了，连接在,I/O,信号卡前面的齐纳安全栅却安然无恙。,15,齐纳安全栅原理图,16,1.5,某,石化公司苯酚装置的案例分析,雷害时间：,2004,年,7,月,10,日下午,4,点。,DCS,机型：,美国,MOORE,公司的,APACS,型。,事故现象：,遭雷击时控制器内的,EPROM,里的程序丢失。,原因分析：,因为控制室、控制器和所在机柜都没有屏蔽接地，位于离大窗户（塑钢）不到,1.8,米，承受着和室外一样的电磁场强度。遭雷击时，使,128K,的,EPROM,内的程序丢失。重新下装后正常。,17,1.6,某燃气公司混配站案例分析,雷击时间：,2003,年,8,月,10,日。,事故情况：,遭受雷击的在线控制系统中包括一台控制混合气含氧量,的控制单元。该氧气分析装置是美国,TELEDYNE,分析仪表公司的,327RA,型产品，其中包括一台基于袖珍型燃料电池的分析单元（美国专利,U.S. PAT.#3,，,429,，,796,）和一台控制单元。由于它对整个混配过程,的操作具有举足轻重的作用，以至雷击后整个装置不得不停产，严,重地影响城市的供气。,18,电子线路分析：,我们查阅了控制单元信号输入部分的电子线路,（见图），并根据替换下来的损坏件是图,2,中的,A2,（,OP07,）运算放大,器，就可以说明，雷电波（高电位）是通过外部连接电缆从,TS6,的,2-,3,端，经过,A1,（,OP07,）运算放大器量程选择开关的反馈通路直接进入,A2,（,OP07,）运算放大器，然后将其击穿。,19,含氧控制单元信号输入的电子线路图（局部）,20,现场情况分析：,该含氧分析仪从安装在现场的分析单元到控制,室内的控制单元，总共有,7,根信号线相连，中间相距约,150,米，采用,的是单层的屏蔽电缆（控制室一端接地）。电缆沿深度为,700mm,、宽,约,800 mm,的水泥地沟内敷设，沟内的电缆没有再用金属管和金属走,线槽保护，即连接电缆没有采取双层屏蔽和两端接地的措施。所经,之地又有,4,、,5,处和建筑物避雷带引下线的接地点相距很近。雷击,时，通过电磁感应将雷电波（即高电位）带入控制单元，将其损坏。,解决方法：,采用双层屏蔽电缆敷设。,21,某燃气公司混配站的电缆沟,电缆沟,22,2 DCS,雷害的风险评估,23,概述,风险一般定义为遭受灾害和损失的可能性，或者具有不确定性的,可能损失。风险评估就是人们处理风险的一种常用措施。,要对,DCS,进行雷害的风险评估，首先要有一个评估的标准。据查,阅，目前涉及雷害风险评估的标准有：,气象行业标准,:,气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范,QX3-2000,；,国际电信联盟标准,:,通信局站雷电损坏危险的评估,ITU-TK.39,；,IEC,标准,:,雷电灾荒风险评估,IEC 62305,；,国家标准,:,建筑物电子信息系统防雷技术规范,GB 50343-2004,。,我们以,2004,年发布的国家标准,“,建筑物电子信息系统防雷技术规,范,GB 50343-2004,”,作为评估的参考标准（适当介绍,IEC 62305,），,并增加我们认为有必要阐述的,存在隐患和改进措施,。,24,风险评估应包括风险的来源评估以及风险的损失评估，本文,仅讨论风险的来源评估。其,评估的基本内容包括：,1,）,工程环境,的描述；,2,）依据本地区的平均雷暴日和控制室所在建筑物的长、宽、高,计算,年预计雷击次数,；,3,）依据电源电缆和,I/O,电缆等效受雷面积计算,进控制室线缆年,预计雷击次数,；,4,）按防雷装置的拦截效率确定,DCS,的,雷电防护等级,；,5,）存在的,雷害隐患和改进措施,。,现以某石化公司加氢裂化装置的,DCS,为例介绍,DCS,雷害的风险,评估。,25,2.1,工程环境的描述,该装置采用的,DCS,系统为美国,Foxboro,公司的,I/A,系列。,控制室、机柜室和电气设备间（包括变压器和位于三楼的配电,间等）为一座钢筋混凝土结构的独立建筑物（长,48,米，宽,15,米，高,20,米），位于工艺装置的北侧，相距约,30,米。,机柜室的所在建筑物的四边墙内都称有,1.5mm,厚的钢板并屏蔽接,地。控制室所在建筑物的顶部采用避雷网，利用建筑物墙柱内的结,构钢筋作引下线并独立接地。,DCS,系统采用单独接地，但其接地体和建筑物防直击雷的接地体,相距仅,12,米，小于规范标准规定的,20,米距离。从机柜室通往现场的,电缆绝大部分采用环氧树酯走线槽架空敷设。,26,2.2,控制室所在建筑物年预计雷击次数,依据本地区的平均雷暴日和控制室所在建筑物的长、宽、高计算建,筑物年预计雷击次数,已知条件：,（,1,）上海地区实际的年平均雷暴日,Td=49.9d/a,（,GB,为,28.4d/a,）；,（,2,）控制室所在建筑物的长,L=48m,、宽,W=15m,、高,H=20m,。,计算：,（,1,）雷击大地的年平均密度,即按地区的年平均雷暴日,Td,换算成每年每平方公里遭受雷击的次,数。,27,注,：,最新的,IEC 62305,的计算公式为：,Ng=0.1 T,d,若按此式计算，,Ng,值要比按,Ng=0.024 T,d,1.3,公式计算增加约,1,次,/km,2,a,。,可见,IEC 62305,的计算公式更为保险。,28,(2),建筑物的等效受雷面积,即把和建筑物的长、宽、高有,关的体积换算成截收相同雷击次数,的等效面积。,该面积即为建筑物避雷针高度,为,H,的保护范围，折算成每边的,扩大,宽度,D,，当建筑物高度,H,小于,100,米,时，,=0.0196,（ ）,L,D,D,W,D,D,29,(3),控制室所在建筑物年预计雷击次数,N,1,=k Ng,Ae,式中,k,为校正系数，按建筑物的周边环境取值，取值范围为,1,至,2,，现,取,1.5,，所以,N,1,=1.5,3.87,0.0196=0.114(,次,/,年,),即,控制室所在建筑物遭直击雷的可能性是每近九年一次,。,30,注：,IEC 62305,Ae,是这样计算等效的受雷面积的：,通过建筑物顶部与其接触，将倾斜度为,1/3,的直线，围绕建筑物,一周后与地面交接的截面积为等效受雷面积（见下图）。,对下图所示的建筑物，其等效受雷面积为：,Ae,=LW+6H(L+W)+9H,2, (m,2,),N,1,=k N,g,A,e,10,-6,（次,/,年）,式中,k,为和建筑物所处地理环境有关的校正系数，它可以按下表选取。,31,建筑物等效受雷面积,1,：,3,L,H,3H,W,32,建筑物,(,电缆,),的相对位置,校正系数,k,位于山丘或山顶上的孤立建筑物,(,电缆,),2.0,孤立建筑物,(,电缆,),：附近没有其它物体,1.0,被其它物体或树所包围,0.5,33,一点重要的说明：,建筑物年预计雷击次数的计算，除了控制室所在建,筑物外，还应包括含有变送器、执行器等控制设备的工,艺厂房或工艺框架。,（计算方法相同本例暂不考虑）,34,2.3,进机柜室,I/O,电缆年预计雷击次数,N2,的确定,N,2,=Ng,（,Ae,1,+Ae,2,）,式中：,Ng-,雷击大地的年平均密度,上述计算为,3.87,；,Ae,1,电源线缆等效受雷面积（ ）,因本装置的电源线缆为室内敷设取,0,；,Ae,2,I/O,信号线缆等效受雷面积（ ）,因本装置的,I/O,线缆架空敷设，若取平均长度为,150,米，则,Ae,2,可取,0.3,。,所以,N,2,=3.87,（,0+0.3,）,=1.161(,次,/,年,),即,进控制室的,I/O,电缆年预计雷击次数是每年,1.161,次,。,控制室所在建筑物及进控制室,I/O,电缆年预计雷击次数,N,的确定,N= N1+ N2=0.114+1.161=1.275 (,次,/,年,),35,注：,IEC 62305,是这样计算进主控室电缆年预计雷击次数,N,2,的：,进主控制室电缆年预计雷击次数,N,2,为：,N,2,= k,Ng,Al,10,-6,（次,/,年）,式中：,k,线路位置的校正系数，它可以按,86,页注表选取。,A,l,雷击电缆的等效受雷面积，它包括,雷击入户电缆的等,效受雷面积,A,l1,和雷击入户电缆邻近区域的等效受雷面积,A,l2,，即,A1=A,l1,+A,l2,。,36,2.4,按雷击风险评估,DCS,的雷电防护等级,（,1,）控制室所在建筑物及进控制室,I/O,电缆年预计雷击次数,N,的确定,N= N1+ N2=0.114+1.161=1.275 (,次,/,年,),（,2,）可接受的最大年平均雷击次数,Nc,的计算,式中：,C,各类因子,C=C1+C2+C3+C4+C5,C1,DCS,所在建筑物材料结构因子,，钢筋混凝土结构取,1.0,；,C2,DCS,重要程度因子,，集成化程度较高的低电压微电流设,备取,3.0,；,C3,DCS,抗浪涌能力因子,，相当弱取,3.0,；,C4,DCS,所在雷电防护区（,LPZ,）因子,，在,LPZ2,区取,0.5,；,C5,DCS,发生雷击事故的后果因子,，因中断后会产生严重后,果取,1.5,。,37,所以,C=1+3+3+0.5+1.5+=9.0,=5.8,10,-1.5,/9.0=0.0206(,次,/,年,),即,本装置,DCS,因直击雷和雷电电磁脉冲损坏可接受的年平均最大雷击次,数每年仅为,0.0206,次,。,38,（,2,）防雷装置拦击效率,E,的计算,E=1-Nc/N=1-0.0206/1.275=0.984,根据,建筑物电子信息系统防雷技术规范（,GB 50343-2004,）,第,4.2.4,条款有关雷电防护等级的规定：,当,E,0.98,时 定为,A,级；,当,0.90,E0.98,时 定为,B,级；,当,0.80,E0.90,时 定为,C,级；,当,E0.80,时 定为,D,级。,所以,本装置的,DCS,的雷电防护等级应划为,A,级,，即最高等级。,39,2.5,存在的隐患,（,1,）存在于接地系统的问题,DCS,的单独接地极和建筑物防雷系统的接地极相距小于规范标准规定的,20,米,，一当机柜室所在的建筑物遭受雷击，由于地电位的浮动，会对,DCS,造成放电反击，使,DCS,失效乃至损坏。,本装置,所有现场变送器的外壳和,DCS,系统都没有等电位接地,，而变送器是由于安装支架自然接地的。,当变送器附近的设备或建筑物遭雷击时，由于地电位的浮动可以使变送器和控制系统两处的地电位差达几万、几十万伏，通过,反击,可以使变送器和,DCS,失效或损坏。,C.,所有机柜的接地汇流排没有采用分类汇总的连接方法，现有的所谓环路（即串联接地）连接，会对各柜间的接地系统产生耦合，这对本安地是绝对不允许的。,40,（,2,）存在于线缆敷设的问题,绝大部分的雷电波都是通过电缆进入,DCS,的，所以信号传输线的,敷设应双层屏蔽，最好是埋地敷设，或利用金属走线槽两端（或每,隔,30,米）接地，以减少雷电电磁场的影响。而,本装置的电缆绝大,部分采用环氧树酯走线槽架空敷设的,，起不了外层的屏蔽作用。如,果整个工艺装置遭受雷击的话，空间的雷电电磁场通过电磁感应将,高电位通过线缆带入,DCS,将其损坏，这可能是最主要的原因。,41,（,3,）其它存在的问题,A.,要关注建筑物防雷装置引下线的具体位置，这对线缆敷设以及盘,柜的布置有着举足轻重的影响。,B.,要核实该,DCS,的电磁兼容性（,EMC,）指标，特别是对防雷有重要影,响的浪涌抗扰度指标和脉冲磁场抗扰度指标。因为这牵涉到有否必,要对重要的工艺参数的,I/O,端口加设浪涌吸收器（,SPD,）。,42,3,从“亡羊补牢”到,“防患于未然”,43,无论是雷害的风险评估，或者是案例分析，虽然找出了问题的,症结所在，由于是在工程的施工大体完成或开工之后，如要作很大,的修改谈何容易,而且这终究是,“,亡羊补牢,”,。因此，如果能在工,程的设计阶段就予以考虑,DCS,的防雷措施，,“,防患于未然,”,才是解决,问题的根本办法。,根据我们的工作经验，特提出下列几个方面在今后新装置的工,程设计阶段就给予充分的考虑，并提供给大家参考。,44,（,1,）对,DCS,系统以及和它相连的变送器、执行器等必须采取,等电位,接地,。,（,2,）,对外部的电缆要采用,金属材质走线槽,，并采用,双层屏蔽和接地,措施；,I/O,电缆、电源电缆、通信电缆在室外的敷设段应在双层屏蔽,的前提下尽量采用,埋地方式,，尤其是在进控制室前大于,15,米的距离,内 。,同时要利用控制室建筑物的结构钢筋、金属门窗等进行格栅屏,蔽。,45,（,3,）,DCS,的电源系统要采用,TN-S,系统的接地方式,，以保证控制系统的金属外壳（如机柜）在正常运行时不带电位。,（,4,）要避免走线桥架和控制柜靠近防直接雷装置的引下线，控制柜和操作站也要和窗户、门口,保持一定的距离,。,（,5,）在,DCS,机型选择时，必须要考虑它的电磁兼容性（,EMC,）指标，特别是,浪涌抗扰度,和,脉冲磁场抗扰度,。,（,6,）必要的地方应设置浪涌吸收器（,SPD,）。之所以说,“,必要的地方,”,是考虑到如下的两个原因：,A.DCS,遭雷击毕竟是低概率事件，不能要求万无一失，所以设置浪涌吸收器必须要考虑用户的经济承受能力；,B.DCS,本身具有一定的浪涌抗扰度和脉冲磁场抗扰度，,而合理的工程设计又可以大大地抑制雷电电磁脉冲的耦合，,所以也没有必要过多地使用,SPD,。必要的地方应设置,浪涌吸收器,（,SPD,）。,46,综上所述，,DCS,的防雷，它首先取决系统的工程环境，包括采用,等电位接地系统，,I/O,信号电缆、电源电缆和通信电缆的合理敷设，控,制室的抗干扰设计以及供电系统的设计等等。,不注意工程环境，即便是世界上的一流产品,也不能免受雷电的损,害。,其次，还取决于,DCS,本身的电磁兼容性。要合理地使用浪涌吸收器,（,SPD,）。,47,谢谢大家,48,
展开阅读全文