DCS機房防雷措施與分析

彭紹川

（云南水富云天化有限公司裝備運維中心，云南 水富 657800）

1 前言

在公司控制系統(tǒng)中，DCS控制是公司生產關鍵的控制系統(tǒng)，歷年來，雷擊對公司DCS控制系統(tǒng)的損害時有發(fā)生，本文以公司制水DCS機房為例進行分析，提出了DCS機房雷電傷害防治的思路及措施。

2 各種雷電危害的定義及表現(xiàn)形式

雷害一般有直擊雷、雷電感應高電壓和雷擊引起的高電位反擊3種。

（1）直擊雷是指雷云直接通過建筑物或設備等對地放電所產生的電擊現(xiàn)象，是能量最大的雷，其電流峰值可達100kA以上。如果把通信、電源線飛接入戶，非常容易引雷入戶，造成非常嚴重的損失。（2）雷電感應高電壓是指雷電在雷云之間或對地放電現(xiàn)象后，可以通過附近的戶外傳輸線路產生電磁感應并侵入設備，使電子設備遭到損害，其能量較小，但概率高。（3）高電位反擊是指雷擊時強大的雷電流經過引下線泄入大地，在接地體附近形成放射型的電位分布，連接在接地體上的設備可能遭受高壓地電位反擊。反擊電壓通過接地線入侵，其能量較大，是防雷工作的重點難點。

3 制水工藝DCS機房防雷設計案例

本節(jié)以制水工藝DCS為例，綜合分析機房防雷的思路和措施。

3.1 雷電危害統(tǒng)計

DCS機房是屬于生產工藝控制的核心機房，輸入線路較多且多為弱電板件，受雷電的影響大，損害大，近年來雷電損害事件如下：（1）2020年8月11日，雷擊導致電機狀態(tài)顯示為零，部分儀表參數異常，燒毀控制卡件3塊，直接損失3萬元。（2）2021年7月22日，雷擊導致制水部分儀表指示壞值，系統(tǒng)出現(xiàn)波動，現(xiàn)場閥門關閉，經檢查，儀表安全柵燒毀4塊，AO卡件一塊，直接損失2萬元。（3）2022年3月17日，雷擊導致DCS大面積顯示壞值，控制卡通道故障，直接損失1.5萬元。

3.2 DCS機房防雷現(xiàn)狀調查

（1）環(huán)境調查1。機房位于金沙江河谷南面斜坡上，處于雷云流竄通道上。（2）環(huán)境調查2。機房前方有數個金屬罐體，樓頂敷設金屬彩鋼瓦，廠房樓頂為水泥架構，金屬彩鋼瓦未接地。（3）土壤電阻率。電阻率實測300Ω·m，土壤電阻率較高。（4）機房接地網調查。未建設專用接地網，為構建物接地，電流泄放通道不足。（5）機房內接地線調查。多個機柜串聯(lián)后接入接地排情況，連接方式存在問題。（6）機房供電調查。UPS供電且有隔離變壓器，符合防雷要求。

3.3 DCS機房防雷設計的總體思路

依據雷電侵入機房的主要途徑、方式，采取對應措施，阻斷或降低雷電波的波值幅度，其防雷設計的總體思路如圖1所示。

圖1 DCS機房防雷系統(tǒng)

3.4 DCS機房防雷共用接地系統(tǒng)

共用接地系統(tǒng)提出是由于制水機房是屬于舊有裝置改造，地下復雜，已經不能在地下分開，從實際經驗來說，采用合理的等電位連接和接入點的合理分布，同一個地網能滿各種接地的需要。

接地網相關設計：

（1）接地電阻的構成。接地電阻主要取決于以下3個因素：①導體本身的電阻，這部分電阻基本可以忽略不計。②導體與土壤的接觸電阻，這部分電阻占整體10%。③土壤的散流電阻，這部分電阻占整體90%。所以土壤電阻率的大小是決定接地電阻高低的決定性因素，影響土壤電阻率的因素為該處土壤的地質結構、降雨量、溫度及環(huán)境。能改變的是導體本身的電阻、導體與土壤的接觸電阻和土壤的散流電阻以及接地網規(guī)模的大小等，以滿足接地網接地電阻值的規(guī)定。

（2）水平接地體的選擇。直接影響導體截面的因素有熱穩(wěn)定性能和導體在土壤中的腐蝕速率。國標《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》規(guī)定的熱穩(wěn)定截面確定為：

式中，Sd為接地導體的截面(mm2)；Id為故障短路電流穩(wěn)定值(A)；C為導體熱穩(wěn)定系數；Td為短路等效持續(xù)時間(S)。

取短路電流Id=24000A，可得接地導體界面積不小于155mm。綜合經濟性，選用150mm2銅包鋼絞線。

（3）接地體的選擇。接地材料種類繁多，目前使用的3種常用接地材料優(yōu)缺點如下：一是鍍銅鋼。將高純度電解銅通過電解原理，使其完全附著在鋼芯上形成整體。優(yōu)點：銅層與鋼棒達到分子型結合，銅層均勻，銅純度高，鋼芯強度高，耐蝕性強，導電性能好,電氣性能穩(wěn)定。缺點：施工成本要求高，垂直接地體與水平接地體的連接為熱熔焊接。二是熱鍍鋅。鋼材表面鍍有鋅的一種材料，能防止鋼材表面遭受腐蝕，延長其使用壽命。優(yōu)點：材料價格便宜，工藝簡單。重要的是，能犧牲自身保護與之連接的鋼構件（生產裝置、管線等）的安全。缺點：由于鍍鋅鋼型材表面積小，施工時用量比較大。三是非金屬接地模塊。非金屬接地模塊是以非金屬材料為主的接地體，由導電性、穩(wěn)定性較好的非金屬礦物和電解物質組成。優(yōu)點：①具有強吸濕保濕能力，介電常數增大，層間接觸電阻減小，耐腐蝕性增強，能獲得較小的接地電阻；②使用壽命長（30年）；③施工開挖量小。缺點：施工時，對焊接接頭防腐處理要求較高，一次性投入費用大?？紤]制水機房周圍土壤結構、酸堿度、成本等因素，可選擇銅包鋼或接地模塊作為接地極，本文以銅包鋼材料為例，闡述計算過程。

（4）垂直接地極的埋設深度及間距計算。①深度。從單根接地極的接地電阻公式可以說明接地極形狀、尺寸、深度與接地電阻大小有密切的關系。

式中，Rv為垂直接地極的接地電阻（Ω）；ρ為土壤電阻率（Ω·m）；L為垂直接地極長度（m）；d為接地極形體直徑（m）；可以看出，接地極的深度是越深越好，綜合開挖成本，設計接地極埋設深度在6m。

②間距。提高接地極的利用系數是在接地材料有限（制作成本）的情況下，盡可能降低接地電阻的有效方法。盡管不斷增加接地極和增大地網面積總可以達到設計的要求，但這樣做不經濟。對于垂直接地極，由于多個接地極之間將相互產生屏蔽作用，因此接地極距離非常重要。理論上兩根接地極之間相距無窮遠時，K等于1。為盡可能降低屏蔽作用，可根據現(xiàn)場地理條件適當增加間距，以提高各單一接地極的利用系數，降低地網的散流電阻。埋設間距大于等于6m。

（5）接地網接地極數量計算。接地網方案設計的合理性和科學性同樣決定地網接地電阻的大小。設計方案時要充分慮土壤的地質結構、面積、環(huán)境等，在此基礎上，參照相關標準設計出理論上合理、合格的方案。根據GB/T50065-2011中列出的單口深孔計算公式為：

式中，RV為單孔深孔接地電阻值；L為單孔深度；D為單孔直徑；K為綜合利用系數。

根據公式：鉆孔φ90mm孔，d等效直徑為0.09，L取6m，K取0.6。

RV=300÷（2×3.14×6）×（ln(8×6÷0.09)-1×0.6=25.21Ω。

則多口豎井電阻值為：R并=1/(（1/25.21×n)/0.9，則達到R并小于1Ω時，豎井數量需要達到23口以上，綜合確定豎井數量為30口。

30口并聯(lián)豎井電阻值為R并=1÷(（1/25.21）×30)÷0.9=0.93Ω。

（6）接地網絡布置設計。根據接地極數量計算和建設環(huán)境情況以及技術要求，充分利用周圍綠化帶，減少水泥地面開挖量，綜合設計制水機房防雷接地網。

3.5 直擊雷設計

由于DCS機房周圍沒有避雷針等防直擊雷措施，且周圍沒有高大的金屬構建，因此需要考慮增加直擊雷防護措施，主要包含避雷針措施和機房樓頂避雷帶措施。

（1）避雷針設計。避雷針設計考慮建設場地環(huán)境情況，根據對應的避雷針產品進行保護半徑核算，確定避雷針的高度和直線距離，讓被保護設備在避雷針的保護范圍內，以提前預放電避雷針E.S.E為例，避雷針設計如下：①由于罐體高度為4m，考慮以后建設高度的需要，確定構建高度為6m；②考慮機房所在裝置區(qū)域情況，避雷針建設位置等因素，確定避雷針需要保護的范圍應在80m范圍。

保護范圍核算如下：

式中，Rp為保護半徑；V為上行先導的搶先速度，取1m/us；ΔT為避雷針啟動搶先時間；D為電擊距離，按三類保護取值為60m；H：h高差6.8m（12.8-6）進行計算。

則計算Rp為67.97m。即使提前放電避雷針的ΔT搶先時間為10us，計算出單根12.8m高的提前放電避雷針在6m高的保護平面，保護半徑也可達45.5m，也大于兩針距離一般40m，滿足機房直擊雷預防需要。避雷針入地點需要遠離DCS機房接地入地點15m以上。

（2）樓頂避雷帶。在制水車間樓頂新安裝避雷帶，避雷帶與DCS機房樓頂金屬彩鋼瓦通過圓鋼相連接，連接方式采用電弧焊，金屬彩鋼瓦之間通過金屬跳線進行電氣連通，從而與新建避雷帶一同起到防直擊雷保護作用，與其他入地點間隔達到15m以上，防止發(fā)生雷電流反擊。

3.6 機房內接地設計

（1）DCS機房接地網格。根據機房設備工作接地要求，同時結合機房的實際面積約4×7m，機房內部接地網格閉環(huán)連接，形成等電位環(huán)。等電位環(huán)采用銅排，規(guī)格不小于30×3mm，以有利于設備工作接地的需要，減少殘余電壓。（2）DCS接地網格引出線。環(huán)行等電位環(huán)與接地網絡連接的引出線在不同方位應不少于2點，引出線選用150mm2銅包鋼絞線。與其他入地點物理距離大于15m，防止雷電反擊。（3）機柜接地。各個控制機柜工作接地排與等電位環(huán)的連接，采用16mm2以上銅絞線專線連接到等電位環(huán)。

3.7 DCS控制系統(tǒng)信號防雷

（1）引入控制機房的所有信號線均采用屏蔽電纜。（2）信號屏蔽電纜均應該一端且在機房內接地。（3）各信號電纜與機房接地排應獨立接地，不允許串聯(lián)接地，銅芯接地線規(guī)格不小于6mm2。（4）敏感開關量信號可采用中間繼電器物理隔離方式，避免外部強電壓影響弱電控制板件。（5）敏感模擬量應加裝信號避雷器，降低外部大電流對控制板件的沖擊。

4 DCS機房防雷措施總結

綜上所述，制水DCS機房直擊雷、雷電感應高電壓和雷電反擊措施主要有：（1）設計了一個符合機房類接地電阻值要求的共用地網，這是防雷設計中的基礎。（2）設計建設2根避雷針，對DCS機房及其周邊制水裝置形成了直擊雷防護。（3）DCS機房樓頂設計了避雷帶和彩鋼瓦等電位連接，形成了機房房屋直擊雷和感應雷防護。（4）機房內部建設了等電位環(huán)，機柜工作接地和屏蔽接地單獨接在等電位環(huán)上，防止由于各接地點存在電位差形成的環(huán)流。（5）引入機房的各類電纜采用了屏蔽電纜，且在機房單獨接地，避免由于感應電流方向不一樣造成的2次感應，屏蔽層良好的接地，及時泄放電纜感應到的高電壓，削弱對屏蔽層內部信號的干擾。（6）引入機房的敏感信號，采用中間繼電器方式或加裝信號避雷器的的方式，直接削弱信號內感應到的干擾源峰值，避免對控制板件造成損壞。（7）完善各類入地線物理距離的方式，避免雷電流通過機房入地線反擊對機柜板件造成損傷，在無法物理隔離點，加裝等電位連接器等措施。任何設施的防雷措施均應兼顧技術和經濟，選擇合理的設計方案，以達到實際效果。