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1、1,控制系统遭雷击的 案例分析和雷害的风险评估 Research analysis and risk assessment of lightning stroke events for control systems 徐义亨 2012年3月,2,1 控制系统遭雷击的典型案例,3,1.1 某污水处理装置雷击案例（电磁感应）,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DCS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
2、雷带中的雷电流通过 电磁感应，将过电压、过电流沿 着通信电缆引入系统，将两端的 网卡击穿。,避雷带,通信电缆,4,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接地。 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。,5,1.2
3、某公司离子膜装置和硫酸装置的雷击案例（电磁感应）,控制室,硫酸装置,离子膜装置,全部电缆穿 金属管埋地,全部电缆用玻璃钢桥架敷设,6,雷击时间：2006年夏 雷击结果：硫酸装置的控制系统和现场仪表无损坏；离子膜装置损 坏了许多输入/输出卡。 整改措施：将离子膜装置的玻璃钢走线槽用不锈钢薄钢板包裹并隔 一定距离接地。,7,整改措施,不锈钢板包 裹走线槽,接地干线,8,1.3 某化工公司邻硝装置案例（反击）,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,9,事故原因： 由于控制系统
4、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，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。 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。,10,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,11,1.4 1975年在荷兰发生的惊人案例（反击）,12,雷击法拉
5、第笼造成对法拉第孔内导线的闪络,13,1.5 某石蜡加氢装置案例分析（屏蔽不到位）,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： 1）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。 2）而工控机的外壳没有屏蔽接地； 3）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、金属门窗等连接起来，进行格栅屏蔽。,14,一点思考：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
6、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GB 50057 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。,15,1.6 某石化公司沥青装置的案例分析,雷害时间：2003年7月21日。,16,某石化总厂沥青装置的控制室平面,17,问题1：在雷电的当即，为什么CRT显示器会
7、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。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。,18,问题2：为什么连接在I/O信号卡前面的
8、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。
9、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。,19,齐纳安全栅原理图,20,1.7 某石化公司苯酚装置的案例分析（屏蔽不到位）,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： 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。,21,1.8 某燃气公司混配站案例分析,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
10、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。,22,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）运算放大器量程选择开关的反馈通路直接进入 A2（OP07）
11、运算放大器，然后将其击穿。,23,含氧控制单元信号输入的电子线路图（局部）,24,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800 mm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带入控制单元，将其损坏。 解决方法：采用双层屏蔽电缆敷设。,25,某燃气公司混配站的电缆沟,电缆沟,26,2 DCS雷害的
12、风险评估,27,概述,风险一般定义为遭受灾害和损失的可能性，包括： 风险的来源评估； 风险的经济损失评估。 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IEC 62305； 国家标准:建筑物电子信息系统防雷技术规范GB 50343-2004。 我们以2004年发布的IEC标准“雷电灾荒风险评估IEC 62305” 和国家标准“建筑物电子信息系统防雷技术规范GB 50343-2004”作
13、 为评估的参考标准。,28,本文仅讨论风险的来源评估。其评估的基本内容包括： 1）依据本地区的年平均雷暴日和控制室建筑物以及工艺装置的 长、宽、高计算年预计雷击次数； 2）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； 3）计算年预计雷击总次数。 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。,29,2.1 建筑物年预计雷击次数,依据本地区的年平均雷暴日和建筑物的长、宽、高计算建筑物年预 计雷击次数。 例：上海地区实际的年平均雷暴日Td=49.9d/a（历史数据为 28.4d/a）,30,计算： （1）雷击大地的年平均密度 即按地区的
14、年平均雷暴日Td换算成每年每平方公里遭受雷击的次数。 按最新的IEC 62305的计算公式为： Ng=0.1 Td=0.149.9=5.0 次/km2a （曾经用0.023Td1.3、0.024Td1.3来计算，美国现用0.2Td来计算）,31,(2)控制室所在建筑物的等效受雷面积,注： IEC 62305 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)+9H2 (m2) N1=k Ng Ae10-6（次/年） 式中k为和建筑物所
15、处地理环境有关的校正系数，它可以按下表选取。,32,建筑物等效受雷面积,H,3H,W,33,如建筑物具有复杂的形状，例如在屋面上的某个部位具有一定 高度的凸出物，可以根据上述定义用作图法来计算建筑物的等效受 雷面积。此时，一个可以接受的近似算法以最高点的 高度的 三 倍画一个圆，其圆面积为： Ae=9Hp210-6 (km2),34,35,一点重要的说明： 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）,36,2.2 进机柜室I/O电缆年预计雷击次数N2的确定,IEC 62305是这样计算进主控室电缆年预计雷
16、击次数N2的： 进主控制室电缆年预计雷击次数N2为： N2= kNgAl10-6 （次/年） 式中：k线路位置的校正系数，它可以按上表选取。 Al雷击电缆的等效受雷面积，它包括雷击入户电缆的等 效受雷面积Al1和雷击入户电缆邻近区域的等效受雷面积Al2，即 A1=Al1+Al2。,37,表4.6 电缆的等效受雷面积Al 注：1. Lc是线路从控制室建筑物至现场的第一个分支点或与相邻建筑物的长度，单位为m，最大值为1000m，当Lc未知时，可假定L=1000m。 2.为埋设电缆的土壤电阻率，最大值可取500m。 3.Ha线路与工艺装置相接的高度m； Hb线路与控制室建筑物相接的高度m； Hc线路离地面的高度m。,38,2.3 按雷击风险评估DCS的雷电防护等级,（1）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 +N3=1.275(次/年) （2）可接受的最
