油庫自動化控制系統(tǒng)的防雷

李伯見，杜 威，李華騏

浙江油品儲運有限公司蕭山油庫，浙江 杭州 311227

由工業(yè)計算機IPC或可編程控器PLC組成的集數(shù)據(jù)采集、過程控制和信息傳送于一體的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)在油庫自控系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，對自控系統(tǒng)的防雷技術(shù)提出了更高的要求。由于微電子器件的浪涌抗擾度很低，無論國產(chǎn)的或國外引進(jìn)的DCS、PLC等控制系統(tǒng)，每年發(fā)生雷擊事故接連不斷，尤其在高雷區(qū)和強雷區(qū)。一旦自控系統(tǒng)遭雷擊，輕者損壞卡件，影響油庫的正常生產(chǎn)作業(yè)；重者將迫使油庫生產(chǎn)作業(yè)停產(chǎn)，造成重大的經(jīng)濟損失和社會影響。因此有必要對自控系統(tǒng)的防雷作深入的探討。分析雷電對自控系統(tǒng)侵害途徑是正確采取防雷防護(hù)措施的前提。

1 雷電對自控系統(tǒng)侵害途徑

雷電對自控系統(tǒng)侵害的途徑主要有：1）直擊到電源輸入線，經(jīng)電源線進(jìn)入自控設(shè)備；2）以感應(yīng)方式（電阻性、電感性、電容性）耦合到電源、信號線上，最終損害自控設(shè)備。

1.1 自控配電系統(tǒng)的防雷

油庫的配電系統(tǒng)一般在高壓進(jìn)線端都已安裝了如閥型避雷器或氧化鋅避雷器等避雷裝置，但自控設(shè)備仍會遭受雷擊而損壞。這是因為這些措施的保護(hù)對象是電氣設(shè)備，而自控設(shè)備耐過壓能力低，用單一的器件或單級保護(hù)很難滿足自控設(shè)備對電源的要求，所以對電源防雷應(yīng)采取多級保護(hù)措施。具體級數(shù)根據(jù)各自實際情況而定，圖1為油庫配電系統(tǒng)采用的三級保護(hù)方案。（原有的高壓避雷器保留）

圖1 蕭山油庫配電系統(tǒng)采用的三級保護(hù)方案示意圖

第一級在變壓器二次側(cè)，主要泄放外線等產(chǎn)生的過電壓，其雷通量大，啟動電壓高（920-1800V）。 第二級在自控系統(tǒng)UPS電源前，主要泄放第一級殘壓、配電線路上感應(yīng)出的過電壓和其它用電設(shè)備的操作過電壓、其電流通量居中，啟動電壓居中（470V～1800V）。末級在PLC專用電源模板前，主要泄放前面的殘壓，完全可達(dá)到箝位輸出，其殘壓低，響應(yīng)時間快。蕭山油庫自控系統(tǒng)電源線采用浪涌保護(hù)器（避雷器）后，基本上杜絕了因電源線引起的過電壓而損壞自控系統(tǒng)設(shè)備。

1.2 自控系統(tǒng)通訊線路防雷

1.2.1 通訊線的屏蔽接地

自控系統(tǒng)通訊線一般都采用特制屏蔽雙絞電纜（如DH+、MB+），對其中的屏蔽接地，許多行業(yè)規(guī)范規(guī)定是機房端接地，現(xiàn)場設(shè)備端懸空。這樣雖然能有效的抑制雷擊時產(chǎn)生的電容性耦合，但由于雷電電磁脈沖的磁場強度非常強大，僅依靠雙絞線作用還不足以抑制其磁場的耦合。此時，應(yīng)采用電纜的雙層屏蔽，兩個屏蔽層之間絕緣，內(nèi)層單端接地，抑制電容性耦合，外層兩端或多端接地，抑制電感性耦合。

通信電纜的外屏蔽層可采用金屬鎧裝電纜的金屬鎧裝層或敷設(shè)電纜的金屬橋架、金屬管等實現(xiàn)。目前蕭山油庫采用鋁合金橋架與鋼管相結(jié)合作為電纜的外屏蔽層，現(xiàn)場各信號采集設(shè)備通信、網(wǎng)絡(luò)電纜通過鋼管保護(hù)連接，匯集到橋架后進(jìn)入總控站，鋼管與橋架經(jīng)多點等電位接地，以抑制電感性耦合；內(nèi)層通信線在總控站實行單端接地，抑制電容性耦合。多年來油庫從未因雷電感應(yīng)引起設(shè)備損壞事故，證明了內(nèi)外層屏蔽對抑制發(fā)生在電纜臨近區(qū)域內(nèi)的電磁感應(yīng)是很有效的。

1.2.2 通訊線使用浪涌保護(hù)器

對油庫一些重要自控系統(tǒng)（如油庫公路發(fā)油系統(tǒng)），萬一遭受雷擊，將嚴(yán)重影響油庫的正常發(fā)油作業(yè)（尤其是進(jìn)口設(shè)備，備品備件采購價格高、周期長）。為確保油庫的正常生產(chǎn)作業(yè)，在做好網(wǎng)絡(luò)通訊線、信號線內(nèi)外層屏蔽等各種防雷措施的同時，配置了相應(yīng)的浪涌保護(hù)器。使得前面的各種防雷措施萬一出現(xiàn)疏漏，則安裝在被保護(hù)設(shè)備端口或附近的浪涌保護(hù)器還能抑制住殘余的、感應(yīng)的雷電電流，使設(shè)備受到最后的保護(hù)，這對降低信息系統(tǒng)雷害概率、提高防雷可靠性有很好的、綜合性的作用。

1.3 控制站構(gòu)筑物的防雷

油庫總控站是控制和信息中心，集中了很多位重值高的計算機設(shè)備、通訊設(shè)備、儀器儀表，是油庫生產(chǎn)監(jiān)控、調(diào)度中心。因此，控制站所在構(gòu)筑物的防雷是整個防雷系統(tǒng)中不可忽視的組成部分。雖然蕭山油庫控制站構(gòu)筑物高度低（5m）、面積小，但地勢空曠，又臨近錢塘江，極易遭受各方向的各種形式的雷擊。因此控制站構(gòu)筑物還是安裝了避雷網(wǎng)，共設(shè)4條避雷網(wǎng)引下線，以減小每條線上的泄放電流量從而降低感應(yīng)能量?？刂普窘拥鼐W(wǎng)在不同方向與發(fā)油泵房、發(fā)油臺等接地網(wǎng)連接，以實現(xiàn)等電位連接。

1.4 合理接地

油庫接地系統(tǒng)按接地目的一般分為：直流系統(tǒng)工作接地、電氣設(shè)備保護(hù)接地及防雷防靜電保護(hù)接地等。那么，對這一接地系統(tǒng)應(yīng)采用共用接地網(wǎng)接地好還是按各自的接地目的獨立接地好呢？ 我們知道，油庫自控系統(tǒng)是集信號采集、處理、控制等成一體的控制系統(tǒng)，許多信號（如壓力、液位、可燃?xì)怏w濃度、流量等）采集裝置都直接安裝在油罐或輸油管線上，而油罐等金屬導(dǎo)體壁往往又直接作為引下線與接地裝置連接。一旦油罐遭雷擊，安裝在油罐上的測量元件就隨油罐電位的升高而升高，此時如控制系統(tǒng)的接地裝置與油罐接地裝置是相互獨立的話，控制系統(tǒng)和信號采集元件之間就會產(chǎn)生很高的電位差，形成閃絡(luò)（反擊），使信號采集元件、PLC等設(shè)備損壞，同時在爆炸危險場所出現(xiàn)電火花會引起爆炸。

為了防止閃絡(luò)產(chǎn)生，應(yīng)該將避雷裝置和控制系統(tǒng)的保護(hù)接地裝置、系統(tǒng)工作接地裝置等都連接到同一個接地網(wǎng)上即共用接地網(wǎng)接地。同時，相對于獨立接地，共用接地網(wǎng)還有如下幾個優(yōu)點：1）共用接地網(wǎng)將各個接地極并聯(lián)連接，接地電阻要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于獨立接地時的接地電阻；2）由于是共用接地，即使其中的某一個接地極失效，其它的接地極也能補充，提高了接地的可靠性。所以采用共用接地網(wǎng)實行等電位連接是油庫控制系統(tǒng)接地的首選方式。

3 結(jié)論

總之，隨著油庫自動化控制程度的不斷提高，計算機、PLC系統(tǒng)大量采用大規(guī)模CMOS集成電路和分散控制用的CPU單元，使其對瞬間過電壓承受能力大幅度減弱，同時控制系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)采集裝置、線路等伸入到油庫的各種環(huán)境之中，采用任何一種單一的防雷器件都難以保證其安全，必須采取綜合防護(hù)的措施，對癥下藥將各種可能引起雷害的因素排除，才能將雷害減少至最低限度，確保油庫安全、高效運行。