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1、 1 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 2 本部分的主要内容 1DCS遭雷击的典型案例 2DCS雷害的风险评估 3从 亡羊补牢 到 防患于未然 3 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 4 1DCS遭雷击的典型案例 5 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DC
2、S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 6 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
3、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 7 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 8 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
4、 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 9 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 10 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
5、窗等连接起来 进行格栅屏蔽 11 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 GB50057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 12 1
6、 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 13 某石化总厂沥青装置的控制室平面 14 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
7、 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 15 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
8、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 16 齐纳安全栅原理图 17 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 18 1 6某燃气公司混配站案例分析
9、 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 19 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
10、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 20 含氧控制单元信号输入的电子线路图 局部 21 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800mm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 22 某燃气公司混配站的电缆沟
11、电缆沟 23 2DCS雷害的风险评估 24 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 IEC62305 国家标准 建筑物电子信息系统防雷技术规范 GB50343 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 GB50343 2004 作为评估的参考
12、标准 适当介绍IEC62305 并增加我们认为有必要阐述的存在隐患和改进措施 25 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 26 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
13、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 27 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
14、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 28 注 最新的 IEC62305 的计算公式为 Ng 0 1Td若按此式计算 Ng值要比按Ng 0 024Td1 3公式计算增加约1次 km2 a 可见 IEC62305 的计算公式更为保险 29 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 0 019
15、6 L D D W D D 30 3 控制室所在建筑物年预计雷击次数N1 kNgAe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N1 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 31 注 IEC62305 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 9 H2 m2 N1 kNgAe 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
16、按下表选取 32 建筑物等效受雷面积 H 3H W 33 34 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 35 2 3进机柜室I O电缆年预计雷击次数N2的确定 N2 Ng Ae1 Ae2 式中 Ng 雷击大地的年平均密度 上述计算为3 87 Ae1 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 Ae2 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Ae2可取0 3 所以N2 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 36 注 IEC62305 是这样计算进主控室电缆年预计雷击次数N2的 进主控制室电缆年预计雷击次数N2为 N2 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 Al 雷击电缆的等效受雷面积 它包括雷击入户
