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控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估Researchanalysisandriskassessmentoflightningstrokeeventsforcontrolsystems1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”。2前言通过对遭雷害的控制系统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控制系统带来危害的；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控制系统防雷有着举足轻重的影响。31控制系统遭雷击的典型案例41.1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。5避雷带通信电缆解决方法：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。61.2某公司离子膜装置和硫酸装置的雷击事故分析7控制室硫酸装置离子膜装置全部电缆穿管埋地全部电缆用玻璃钢桥架敷设雷击时间：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。89不锈钢板包裹走线槽接地干线1.3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。10变送器安装支架自然接地事故原因：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，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。11雷电反击原理图12变送器DCS150米几万、几十万伏地电位差地电位分布曲线引下线1.4在荷兰发生的惊人1975年案例柳树20m煤油8m热电耦28m0.48的8个接地极250m高的爆炸浓烟200m测量电缆至控制室13雷击法拉第笼造成对‘法拉第孔’内导线的闪络14电缆RL=1Ω法拉第孔100kA100kV法拉第笼1.5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、金属门窗等连接起来，进行格栅屏蔽。15一点思考：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。161.6某石化公司沥青装置的案例分析雷害时间：2003年7月21日。17某石化总厂沥青装置的控制室平面18沥青装置减压塔m接地极总汇线桥架机柜室操作室大面积窗户区区区区问题1：在雷电的当即，为什么CRT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。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。19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μs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。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。20齐纳安全栅原理图21本安端非本安端接现场元件1.7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。221.8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。23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）运算放大器，然后将其击穿。24含氧控制单元信号输入的电子线路图（局部）25量程选择开关来自分析单元的输入信号输出现场情况分析：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。26某燃气公司混配站的电缆沟27电缆沟2DCS雷害的风险评估28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IEC标准“雷电灾荒风险评估[IEC62305]”和国家标准“建筑物电子信息系统防雷技术规范[GB50343-2004]”作为评估的参考标准。29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）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。302.1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（GB为28.4d/a）31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。按最新的[IEC62305]的计算公式为：Ng=0.1Td=0.1·49.9=5.0次/km2·a32(2)控制室所在建筑物的等效受雷面积注：[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)+9πH2](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，它可以按下表选取。33建筑物等效受雷面积341：3LH3HW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为：Ae=9πHp2×10-6(km2)3536建筑物(电缆)的相对位置校正系数k位于山丘或山顶上的孤立建筑物(电缆)2.0孤立建筑物(电缆)：附近没有其它物体1.0被其它物体或树所包围0.5一点重要的说明：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）372.2进机柜室I/O电缆年预计雷击次数N2的确定[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。38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.ρ为埋设电缆的土壤电阻率，最大值可取500Ωm。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。架空敷设埋地敷设雷击入户电缆Al16Hc[Lc-3(Ha+Hb)]0.8[Lc-3(Ha+Hb)]ρ1/2雷击入户电缆的邻近区域Al21000Lc50Lcρ1/2392.3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(