化工裝置集散控制系統(tǒng)的防雷措施

＊常 想

（福建天辰耀隆新材料有限公司 福建 350309）

前言

雷電發(fā)生時會出現(xiàn)自然放電現(xiàn)象，放電電壓從幾萬伏特到幾十萬伏特不等，而對應(yīng)的放電電流可以達到數(shù)十到數(shù)百千安培，而以大型CMOS集成元件組成的DCS系統(tǒng)普遍存在著對暫態(tài)過電壓、過電流耐受能力較差的缺點，一旦受到直接雷擊或者間接雷擊輕者造成DCS系統(tǒng)模塊離線故障損壞，重者造成生產(chǎn)裝置大停車以及發(fā)生火災(zāi)，給化工廠帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。

福建福清年平均雷暴日為35天，年最多雷暴日為54天，年最少雷暴日為20天，屬于雷電活動的多雷區(qū)。福清某大型化工項目生產(chǎn)裝置的集散控制系統(tǒng)多次受到雷電的影響，使一些模擬量輸入（AI）模塊和熱電阻（RTD）輸入模塊離線故障或無法正常工作，并曾三次造成生產(chǎn)裝置緊急停車。雷擊事件發(fā)生后儀表車間維護人員針對雷電電涌侵入集散控制系統(tǒng)造成的現(xiàn)實危害，通過現(xiàn)場調(diào)查和問詢當(dāng)時搶修人員，給出了切實可行的DCS防雷擊建議書。

1.現(xiàn)場儀表和DCS故障調(diào)查

儀表車間維護人員經(jīng)過現(xiàn)場實地調(diào)查研究，總結(jié)出受到雷擊影響的變送器和DCS模塊情況，具體見表1。

表1 受雷電影響儀表情況

續(xù)表

受到雷擊的各類現(xiàn)場儀表總計112臺，DCS有26塊模塊因部分或者全部通道故障無法使用，表1只列出了9臺受到兩次及以上雷擊的現(xiàn)場儀表及對應(yīng)的DCS模塊。從表1可以看到001機柜室模塊受到雷擊的概率很大，35號控制站42號模塊有2個通道被擊中三次，這兩臺儀表在空曠的外排污水在線站房附近，而在線站房沒有防雷措施。37號控制站31號模塊有2個通道被擊中兩次，這些儀表集中在管廊附近。39號控制站的兩臺儀表也集中在蒸汽管廊附近。

2.雷電侵入集散控制系統(tǒng)的途徑

雷電是以雷電直擊、雷電靜電感應(yīng)和雷電電磁感應(yīng)的方式影響現(xiàn)場儀表和DCS控制系統(tǒng)。

(1)雷電直擊

儀表機柜室在遭受直擊雷時，雷電流將沿機柜室屋面接閃帶（網(wǎng)）通過柱內(nèi)主鋼筋引下線和人工接地體進入大地，由于接地電阻的存在，雷電流將在防雷接地系統(tǒng)中產(chǎn)生暫態(tài)高電壓，如果儀表DCS接地系統(tǒng)是獨立的且與001機柜室防雷接地系統(tǒng)的絕緣距離不滿足相關(guān)規(guī)范要求，則將在兩接地系統(tǒng)之間產(chǎn)生很高的電壓并回流儀表接地系統(tǒng)，給DCS系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p壞。001機柜室的防雷接地系統(tǒng)和儀表DCS接地系統(tǒng)共用一套接地系統(tǒng)，不會存在上述情況。

(2)雷電靜電感應(yīng)

帶電積云是構(gòu)成雷電的基本條件之一。雷電靜電感應(yīng)就是由于帶電積云靠近大地，在電纜橋架電纜或者其它能夠?qū)щ娡钩鑫镯敳扛袘?yīng)出大量異種電荷引起的[1]。在帶電積云與其它客體發(fā)生放電之后，電纜橋架電纜或者其它能夠?qū)щ娡钩鑫镯敳康母袘?yīng)電荷失去了束縛，就以大電流和高電壓沖擊波的形式，沿著電纜橋架電纜或?qū)щ娡钩鑫飿O速傳播到DCS系統(tǒng)。

(3)雷電電磁感應(yīng)

機柜室建筑物的防雷系統(tǒng)雖然能防止機柜室內(nèi)DCS和儀表設(shè)備遭受直擊雷，但不能阻擋雷電電磁感應(yīng)在現(xiàn)場儀表內(nèi)部和信號線路上產(chǎn)生的雷電電涌。電磁感應(yīng)是由于雷電放電時，巨大的沖擊雷電流在周圍空間產(chǎn)生迅速變化的強磁場引起的[2]，這種迅速變化的磁場能在鄰近的儀表線路上感應(yīng)出很高的電動勢并在這一閉合回路上產(chǎn)生很大的沖擊電流。雷電電涌沿著電纜線路沖擊DCS系統(tǒng)的供電系統(tǒng)和模塊，造成供電系統(tǒng)和DCS模塊的故障。

3.DCS受雷擊原因分析

(1)雷電直擊DCS供電線路和高處凸出儀表

001機柜室DCS供電系統(tǒng)采用兩路電源供電，一路為UPS電源供電，UPS輸出端經(jīng)隔離變壓器輸入到五米遠(yuǎn)的儀表UPS配電柜，并在配電柜中安裝電涌保護器。另外一路采用市電供電，供電電纜從電氣003變電所經(jīng)過500多米的室外電纜橋架到達001機柜室電氣配電柜，再從電氣配電柜連接到儀表市電配電柜。從003變電所到001機柜室的500多米電力電纜不是屏蔽電纜，再加上001機柜室的電氣配電柜和儀表市電配電柜均沒有安裝浪涌保護器，很容易受到雷電的影響，并將雷電干擾帶到儀表DCS控制系統(tǒng)中，進而影響到DCS直流供電模塊和現(xiàn)場需要220V交流供電的儀表及PLC控制系統(tǒng)。

有部分受到兩次雷擊的現(xiàn)場儀表安裝在蒸汽管廊上，這些儀表存在著成為接閃器而引雷的風(fēng)險，尤其一些安裝在塔頂、罐頂?shù)韧怀鑫恢玫膬x表更容易受到雷擊。PT101A在現(xiàn)場側(cè)和機柜室側(cè)均有安裝電涌防護器，但機柜室的電涌防護器出現(xiàn)雷擊現(xiàn)象，經(jīng)仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)電涌防護器所在的匯流導(dǎo)軌接到保護接地匯流排的連接導(dǎo)線接觸不良。外排污水在線站房是簡易活動板房，旁邊就是芝港河，在靠山或臨水的地區(qū)，臨水一面的低洼潮濕地點較易受雷擊，再加上在線站房屬于空曠地帶的孤立建筑物，處在附近的儀表被雷擊中三次。

(2)雷電電磁干擾電纜橋架和DCS輸入模塊

001機柜室進線電纜橋架采用復(fù)合環(huán)氧樹脂電纜橋架 （內(nèi)襯鋼板），每段橋架兩端都有接地螺栓，螺栓之間通過4mm2銅導(dǎo)線進行跨接連接。從001機柜室屋頂觀察進線電纜橋架，發(fā)現(xiàn)電纜橋架蓋板有部分缺失或未完全蓋好。當(dāng)有雷雨天氣時，由于帶電積云的靜電感應(yīng)作用，使橋架和電纜均帶上異種電荷，當(dāng)帶電積云與其它客體放電后，帶電積云迅速消失，橋架和電纜的靜電感應(yīng)電荷通過橋架接地和電纜屏蔽接地進行泄放。在直擊雷的放電過程中，強大的沖擊電流也可能對橋架或橋架中的電纜產(chǎn)生雷電電磁感應(yīng)，發(fā)生閃擊現(xiàn)象。因此，如果電纜橋架蓋板缺失或沒有蓋好，雷電產(chǎn)生的電磁脈沖（LEMP）干擾極易侵入電纜，從而進入DCS控制系統(tǒng)[3]。

在和利時集散控制系統(tǒng)中，輸入輸出模塊通過DB25預(yù)制電纜連接上對應(yīng)端子模塊就構(gòu)成輸入輸出（I/O）單元。數(shù)字量輸入（DI）模塊SM610和數(shù)字量輸出（DO）模塊SM711的每個通道都帶繼電器隔離，模擬量輸入（AI）模塊SM480有模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，模擬量輸出（AO）模塊SM522有數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，這兩種芯片都容易受到雷電干擾的影響，尤其是數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。我公司AO模塊均配套安裝了AO隔離柵，而AI模塊有些是沒有隔離柵的，因此當(dāng)出現(xiàn)雷電干擾時反而是AI模塊比AO模塊更容易出現(xiàn)故障。

4.DCS控制系統(tǒng)防雷措施

001機柜室是按照第三類防雷建筑物進行設(shè)計的，防雷接地與儀表DCS接地共用一套接地系統(tǒng)，然后接入全廠接地網(wǎng)。機柜室內(nèi)的所有金屬結(jié)構(gòu)、管道、支吊架、防靜電地板等進行了等電位連接，室內(nèi)沿墻設(shè)置了環(huán)形接地排，DCS機柜是鋼板材料的全封閉機柜，儀表信號電纜屏蔽層在機柜側(cè)進行單端接地。

(1)對001機柜室室外敷設(shè)的市電供電線路采取兩級浪涌保護

對于從003變電所到001機柜室室外敷設(shè)的電力電纜，首先在001機柜室室內(nèi)的電氣配電柜安裝一個I級實驗的電涌保護器作為第一級防護，其電壓保護水平和每一種保護模式的沖擊電流值應(yīng)滿足規(guī)范要求；之后在儀表DCS市電配電柜安裝一個Ⅱ級實驗或者Ⅲ級實驗電涌保護器作為第二級防護。這樣就可以通過兩級防護的方法，將雷擊浪涌逐步泄放到大地，以保護DCS的供電系統(tǒng)。浪涌保護器的主要作用是限制沖擊過電壓和泄放浪涌電流，一般是與被保護的設(shè)備并聯(lián)在一起。在沒有過電壓時，它們的阻抗都非常高，一般是兆歐級別，幾乎相當(dāng)于斷路。當(dāng)出現(xiàn)過電壓時，阻抗迅速下降到幾歐，浪涌電流就會通過浪涌保護器流入大地，而不會進入儀表設(shè)備[4]。這時由于浪涌保護器此時的阻抗很小，它的兩端電壓也比較小，由于它和被保護的設(shè)備并聯(lián)，也就能防止設(shè)備承受較大的浪涌電壓。當(dāng)浪涌電壓衰減時，浪涌保護器自動恢復(fù)到正常狀態(tài)。

(2)儀表電纜橋架蓋板要補齊蓋好

由于公司技改技措項目比較多，電纜橋架的蓋板被反復(fù)拆蓋，施工人員漏蓋橋架蓋板的情況時有發(fā)生，對口管理部門要加強對屬地電纜橋架的管理，責(zé)任落實到人，防止因施工不善導(dǎo)致電纜橋架的損壞?，F(xiàn)階段要將所有蓋板補齊蓋好，確保蓋板之間無縫隙。雖然橋架在起始端和終點端進行了可靠接地，但從003變電所到001機柜室電纜橋架有五百多米，應(yīng)每隔20m到30m增加一個接地連接點。另外支吊架應(yīng)與電纜橋架進行可靠連接并接地，可與已有接地電纜橋架進行跨接連接，如用銅芯軟導(dǎo)線或鍍錫銅編織線進行跨接連接，或不少于兩處用爪型螺母與電纜橋架進行連接固定[5]。

(3)信號線路增加電涌防護器

安裝在塔頂、罐頂、管廊頂?shù)韧怀鑫恢玫膬x表很容易成為接閃物體，要根據(jù)現(xiàn)場情況首先考慮移位，若無法移位則應(yīng)將儀表裝在全封閉鋼板材質(zhì)的儀表保護箱內(nèi)，并應(yīng)將信號電纜全程穿鋼管敷設(shè)，箱體應(yīng)就近與電氣接地設(shè)施連接或與接地的金屬體相連接?？衫脙x表保護鋼管、金屬支架、金屬護欄、金屬槽體、金屬結(jié)構(gòu)等可靠導(dǎo)電的物體作為接地連接中的某段導(dǎo)體。

對于外排污水在線站房由于處于空曠地帶的臨水位置，要采取防直擊雷的措施，可參照第三類防雷建筑物的規(guī)定進行改造。雷擊實驗已經(jīng)證明電涌保護器是防范儀表被雷擊的最有效方式，能夠減少儀表備品備件的損耗量，給公司帶來直接的經(jīng)濟效益。對于附近的現(xiàn)場儀表設(shè)備安裝裝配式電涌保護器，最好是線-線保護型電涌保護器，同時在001機柜室DCS機柜側(cè)也要增加電涌保器。儀表電涌保護器接地方法如圖1所示，所有接在被保護設(shè)備電路上的電涌防護器都應(yīng)采用盡可能短的導(dǎo)線（＜500mm）接在防雷工程的接地排上。因為導(dǎo)線長度越長，根據(jù)電阻和電感的計算公式，電阻值和電感值就會變大；若導(dǎo)線截面積增大，電阻雖然會變小，但電感變小的幅度會更小，當(dāng)電流流經(jīng)電阻和電感時，電感兩端的電壓會更大[6]。因此，防雷接地的導(dǎo)線越短越好，并且不能用增大導(dǎo)線的截面積彌補。電涌保護器的接地匯流導(dǎo)軌與保護接地匯流排之間的連線應(yīng)采用兩根并行連接，保證連接可靠，儀表維護人員要定期檢查連接導(dǎo)線是否牢固，以免使電涌保護器在DCS系統(tǒng)中失去作用。

圖1 電涌保護器的接地基本原理圖

5.結(jié)束語

化工裝置DCS系統(tǒng)在2017年和2019年受到了雷電影響， 2020年大檢修時對現(xiàn)場儀表和DCS控制系統(tǒng)按照上述防雷措施進行改造，改造后的儀表DCS系統(tǒng)經(jīng)受住了雷雨季節(jié)的考驗，為公司化工裝置安全、穩(wěn)定、長期、滿負(fù)荷、優(yōu)質(zhì)運行提堅實保障。儀表防雷工程是個系統(tǒng)工程，需要電氣、建筑、儀表等多專業(yè)的共同配合，不斷探索和完善儀表DCS系統(tǒng)防雷措施。