一起工控系統(tǒng)雷擊事故的原因分析

楊統(tǒng)軍　蒲　艷

摘要 由一起工控系統(tǒng)雷擊事故著手,從雷電產(chǎn)生的原理分析事故的原因,采取必要的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞 雷擊事故;感應(yīng);雷災(zāi)危害;預(yù)防措施

中圖分類號(hào) X928文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1674-6708(2009)05-0060-02

0 引言

商電鋁業(yè)集團(tuán)公司商丘鋁廠35kv變電站共有6臺(tái)整流機(jī)組,#1、#2、#3二極管整流機(jī)組供70KA系列電解鋁用,#4、#5、#6晶閘管整流機(jī)組供80KA系列電解鋁用。每臺(tái)電解槽有一臺(tái)槽控機(jī)對(duì)電解生產(chǎn)工藝智能控制,所有電解槽的技術(shù)參數(shù)通過槽控機(jī)傳輸?shù)焦た赜?jì)算機(jī)上。根據(jù)生產(chǎn)需要,我們對(duì)電解槽的技術(shù)參數(shù)在工控計(jì)算機(jī)上進(jìn)行調(diào)整,再由工控計(jì)算機(jī)將所給指令傳輸?shù)矫颗_(tái)槽控機(jī)上。2006年8月28日中午,天降暴雨,12時(shí)19分35kv變電站正上空遭遇強(qiáng)雷電,瞬間,80KA系列工控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所有通訊中斷,相關(guān)人員迅速派檢修人員查找問題,發(fā)現(xiàn)工控計(jì)算機(jī)通訊板部分集成塊被擊爆,擴(kuò)展槽大板燒壞,槽控箱部分大板、通訊聯(lián)絡(luò)板燒壞。

1雷電與雷擊事故

雷電是自然界雷云之間或雷云與大地之間的一種放電現(xiàn)象?？罩械膲m埃、冰晶等物質(zhì)在云層中翻滾運(yùn)動(dòng)的時(shí)候,經(jīng)過一些復(fù)雜過程,被分別帶上了正電荷與負(fù)電荷。經(jīng)過運(yùn)動(dòng),塵埃凝結(jié)大氣中水分形成質(zhì)量較重的水滴會(huì)到達(dá)云層的下部(帶負(fù)電荷),質(zhì)量較輕的冰晶物質(zhì)會(huì)到達(dá)云層的上部(帶正電荷)。由于異性電荷的不斷積累,不同極性的云塊之間電場強(qiáng)度不斷增大,當(dāng)某處的電場強(qiáng)度超過空氣可能承受的擊穿強(qiáng)度時(shí),就形成了云間放電。不同極性的電荷通過一定的電離通道互相中和,產(chǎn)生強(qiáng)烈的光和熱,就形成“云間放電”(即閃電)。所發(fā)出的強(qiáng)光,稱之為“閃”,所發(fā)出的熱,使附近的空氣突然膨脹,發(fā)出霹靂的轟鳴,稱之為“雷”。

帶負(fù)電荷的云層向下靠近地面時(shí),使附近地面積聚正電荷,從而使地面與雷云之間形成強(qiáng)大的電場。當(dāng)某處積聚的電荷密度很大,造成電場強(qiáng)度超過雷云與地面之間空氣游離的臨界值時(shí),雷云向下形成下行先導(dǎo),地面的物體形成向上閃流,二者相遇即形成對(duì)地放電。雷云對(duì)地放電打到地面上的閃電即為“落雷”。如果落雷擊中人員、建筑物、機(jī)電設(shè)備和森林樹木而造成的危害,這種現(xiàn)象稱為“雷擊事故”。

雷電發(fā)生時(shí)可產(chǎn)生幾百千安的電流及幾百千伏的電壓,上萬度的高溫,猛烈的沖擊波,劇變的靜電場和強(qiáng)烈的電磁輻射等物理效應(yīng),給人類造成多種危害。雷電危害可分成直擊雷、雷電感應(yīng)和雷電波侵入三種。

1)直擊雷

直擊雷是雷電直接擊中人、畜或建筑物產(chǎn)生熱的或機(jī)械的破壞,造成人、畜傷亡,建筑物劈裂和引起火災(zāi)等危害事故。直接雷擊還會(huì)在無避雷設(shè)備或避雷設(shè)備裝置不完善時(shí),發(fā)生危險(xiǎn)的高電壓、跨步電壓(當(dāng)雷電流經(jīng)過接地裝置向地面流散時(shí),接地裝置附近引起的電位分布不均勻,如有人、畜在這里走動(dòng),前后腳所受的電壓相差很大,兩腳之間的電壓差就叫做跨步電壓)、接觸電壓(人接觸到雷電流經(jīng)過的地方,或接觸到因雷電流引起電感應(yīng)的金屬物所受到的電壓)而可能引起人身傷亡。目前,人們防直擊雷的措施很多,比如在建筑物上安裝避雷針、避雷網(wǎng)、避雷帶,在高壓輸電線路上方安裝避雷線等,進(jìn)而直擊雷造成的災(zāi)害已明顯減少。

2)電感應(yīng)

雷電感應(yīng)是由于附近地區(qū)發(fā)生雷擊時(shí),雷電流的強(qiáng)大電場和磁場變化產(chǎn)生的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)造成的。雷電感應(yīng)破壞也稱為二次破壞,由于雷電流變化梯度很大,會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的交變磁場,使得周圍的金屬構(gòu)件產(chǎn)生感應(yīng)電流,這種電流可能向周圍物體放電,如附近有可燃物就會(huì)引發(fā)火災(zāi)和爆炸,而感應(yīng)到正在聯(lián)機(jī)的導(dǎo)線上就會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈的破壞性。

(1)靜電感應(yīng)。當(dāng)建筑物頂部或其它導(dǎo)體處于雷云與大地間所形成的電場中,建筑物頂部或?qū)w上就會(huì)積聚與雷云下部電荷極性相反的大量電荷。雷云放電后,云與大地間的電場突然消失,建筑物頂部或?qū)w上的電荷來不及立即流散,因而產(chǎn)生很高的對(duì)地電位,這個(gè)對(duì)地電位差稱為“靜電感應(yīng)電壓”。當(dāng)雷云與放電體間的電場強(qiáng)度超過兩者之間空氣的擊穿強(qiáng)度時(shí),雷云對(duì)放電體產(chǎn)生放電,正負(fù)電荷在電路中猛烈地中和,而樓頂?shù)母袘?yīng)電荷卻不能以相應(yīng)的速度流散,于是將會(huì)產(chǎn)生高達(dá)幾萬伏的感應(yīng)電壓。如果樓頂不采取良好的接地,室內(nèi)的設(shè)備即有可能因感應(yīng)電壓而受損。

雷擊時(shí),除建筑物產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓外,在輸電線路、通訊線路上同樣會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。由于感應(yīng)電壓,與雷云極性相反的電荷聚積到一段線路上,成為束縛電荷。當(dāng)雷云對(duì)放電體放電時(shí),雷電通道中的電荷猛烈中和,線路上的束縛電荷變?yōu)樽杂呻姾?向?qū)Ь€兩邊流動(dòng),形成感應(yīng)過電壓波。據(jù)有關(guān)資料介紹,高壓輸電線路上的感應(yīng)過電壓可達(dá)300～400kV;一般配電線路和通訊線路,雖然懸掛高度較低,漏電較大,但感應(yīng)過電壓仍可達(dá)幾萬伏的瞬間高壓。這次的雷擊事故我們分析可能與此有關(guān)。

(2)電磁感應(yīng)。由于雷電流具有極大的幅值和陡度,在放電通道周圍的空間里,會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的變化電磁場。處在這一電磁場中的導(dǎo)體會(huì)感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢。如果回路中有些地方接觸不良,就會(huì)產(chǎn)生局部發(fā)熱或放電。電磁感應(yīng)現(xiàn)象還可以使構(gòu)成閉合回路的金屬物體產(chǎn)生感應(yīng)電流,對(duì)設(shè)備或建筑物等造成損害。

3)雷電波侵入

由于雷電對(duì)架空線路或金屬管道的作用,所產(chǎn)生的雷電波可能沿著這些線路或管線侵入室內(nèi),危及人身和設(shè)備的安全。據(jù)有關(guān)資料介紹,雷電侵入波造成的事故在雷電事故總數(shù)中占有較大的比重。此次雷擊后,我們采取預(yù)防措施時(shí),分析雷電波侵入的成分也很有可能。

2 雷災(zāi)的新特點(diǎn)

一般人們對(duì)部分設(shè)施直擊的防范針對(duì)性較強(qiáng),而對(duì)感應(yīng)雷和雷電侵入波的防范卻考慮得不夠全面,措施上不盡完善,特別是目前大量的通訊系統(tǒng)、家用電器、電腦網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制設(shè)備等采用集成電路和高靈敏度的電子元器件,內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高度集中化,使設(shè)備耐受過電壓、過電流的能力下降,難以承受雷電造成突發(fā)的強(qiáng)磁場或雷電波的侵害,致使遭受雷擊危害較為普遍。所以,目前造成雷電危害的主要原因就是雷電感應(yīng)和雷電侵入波。近年來,雷災(zāi)呈現(xiàn)出新的特點(diǎn):受災(zāi)面大大擴(kuò)展,特別容易侵入與高新技術(shù)最密切的領(lǐng)域,損失和危害程度大大增加;尤其通訊計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)精密設(shè)備更易遭受雷電破壞,輕者可造成計(jì)算機(jī)終端和通信設(shè)備的接口損壞,使通信中斷,大量信息丟失或無法傳輸;嚴(yán)重者使網(wǎng)絡(luò)主機(jī)損壞,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓,工作無法進(jìn)行。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)易遭受雷擊損壞的設(shè)備有:MODEM(調(diào)制解調(diào)器)、ROUTER(路由器)SWITCH(交換機(jī))HUB、網(wǎng)卡、通信卡、UPS、計(jì)算機(jī)電源及主板。

在今天的信息時(shí)代,電腦、網(wǎng)絡(luò)和通訊設(shè)備越來越發(fā)達(dá),智能化建筑增多,電氣化設(shè)備對(duì)電磁環(huán)境的要求越來越高,如何才能更有效的避免雷災(zāi)帶來的損失成為眾多企業(yè)的心痛之痛。

3 雷擊事故的原因分析及預(yù)防措施

此次雷擊事故給我們公司造成的經(jīng)濟(jì)損失很大,事后我們進(jìn)行了原因分析:所有損壞設(shè)備均在通訊線路的首端和末端,而通訊線路就是很長距離的室外架空線路。雷擊時(shí),通訊線路產(chǎn)生感應(yīng)電壓,形成的高電壓波向通訊線兩端流動(dòng)。通訊線兩端的通訊板、控制大板均系+5V電源的高集成電路,耐過電壓能力極低,所以成為擊穿或燒毀的對(duì)象。

我們公司80KA電解鋁生產(chǎn)系列已運(yùn)行8年之久,檢查中發(fā)現(xiàn)部分電氣絕緣趨于老化,部分防雷保護(hù)接地線已斷裂或達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn),針對(duì)我們?cè)O(shè)備的實(shí)際情況,采取以下預(yù)防措施:

1)根據(jù)絕緣避雷理論,我們將屏蔽層破損、絕緣老化的通訊線路予于更換,必要時(shí)部分位置加裝絕緣墊木、絕緣膠皮等絕緣物;

2)根據(jù)防雷接地理論,將通訊板、大板、中繼板的“信號(hào)地”與箱體可靠連接,箱體可靠接地,消除雷擊時(shí)“信號(hào)地”與防雷接地裝置的電位差,從而保護(hù)設(shè)備。將避雷器(針)、廠房、線路、托線架等設(shè)備避雷接地線全部檢查,需要更換的予于更換。

4 結(jié)論

雷擊事故給了我們沉重的打擊,“雷災(zāi)猛于虎”的事實(shí)在高度信息化的時(shí)代已逐漸驗(yàn)證。

雷電本身并沒有變,而是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,使得人類社會(huì)的生產(chǎn)生活狀況變了。微電子技術(shù)的應(yīng)用滲透到各種生產(chǎn)和生活領(lǐng)域,微電子器件極端靈敏這一特點(diǎn)很容易受到無孔不入的雷電電磁脈沖的作用,造成微電子設(shè)備的失控或者損壞。計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,生產(chǎn)的高度自動(dòng)化使我們已離不開微電子,也可以說我們已進(jìn)入微電子時(shí)代,而微電子耐過壓能力極低,促使我們的防雷工作“任重而道遠(yuǎn)”。

參考文獻(xiàn)

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