第4章控制系统防雷

-65-第4章控制系统的雷电防护概述闪电是自然界强大的脉冲放电现象，地球上平均每秒钟有100次，它已成为当今十大自然灾害（地震、水涝、旱灾、雷电、瘟疫、泥石流、台风、冰雹、霜冻、病虫害等）之一，给人类带来巨大的损失。直击雷的高电压、强电流侵入各处，袭击人，破坏建筑物、输电网，引发森林火灾（半数是雷击引起的）已是很常见的事。伴随着雷电产生的雷电电磁脉冲，以电磁感应和静电感应的作用（俗称感应雷），通过金属管道和电缆将雷电波（即高电位）引入，由于微电子器件的浪涌抗扰度很低，所以对近十多年来迅速发展的电子、信息、控制设备的破坏和危害，是上个世纪九十年代以来雷电灾害最显著的特征。它的成灾率更高，损失更大，因而也就成了雷电防护技术中一个急需解决的重要课题。目前，无论国产的或从国外引进的诸如DCS、PLC等控制系统，每年发生的雷击事故接连不断，尤其在高雷区和强雷区。一旦控制系统遭受雷击，轻者损坏卡件,影响生产过程的正常运行；重者，迫使生产装置停车，造成相当大的经济损失。所以有必要对控制系统的雷电防护作深入的探讨。雷电是自然界中强大脉冲能量的放电过程，也是控制系统最强大的干扰源。4.1雷电的基础知识4.1.1雷云结构和放电原理在大气中有带正电的冰晶和带负电的水粒，由于它们的比重不一，于是形成了一种气流，使得带正电的冰晶和带负电的水粒分离，形成一部分带正电和一部分带负电的雷云。由于异性电荷的不断积累，不同极性的云块之间的电场强度不断增大；当某处的电场强度超过了空气可能承受的击穿强度时，就形成了云间放电。不同符号的电荷通过一定的电离通道互相中和，产生强烈的光和热。放电通道所发出的这种强光称之谓“闪”。而通道所发出的热，使附近的空气突然膨胀，发出霹雳的轰鸣，人们称之谓“雷”。这种云与云之间的放电称为片状雷，约占雷电现象中的95%，一般它对地面建筑物不构成威胁，但由于雷电电磁脉冲却对信息系统构成强大的威胁。现在全球公认一个雷击点的危险半径大约是2公里，也就是说，在这个范围内，电子系统将可能遭到破坏性的侵袭。通常，大气中带负电的雷云在下部，带正电的在上部。由于雷云负电的静电感应，使附近地面积聚正电荷，从而使地面与雷云之间形成强大的电场。和云间放电现象一样，当某处积聚的电荷密度很大，造成的电场强度达到空气游离的临界值时，就为闪电落雷的发展创造了条件。这种云与地之间的放电称为线状雷，约占雷电现象中的5%，它对地面建筑物和信息系统都构成强大的威胁。-66-除了片状雷和线状雷以外，还有一种叫球雷。它的形成机理尚未定论，约占云对地放电中的8%。据记载，1983年8月15日，北京焦化厂两个100立方米的酒精罐被球雷所烧毁。一个地区有无雷暴，是由内因（即气象条件）所决定的。但有了雷暴，具体选择哪一处落雷，则受外界条件的影响。云层对地放电的本身是一种位能的释放，位能释放总是沿着易导电路程（阻抗小）的地方。例如：1）高大建筑物的尖顶，因为该处的静电感应的电场强度最大；2）旷野中的突出物，即便不高，因为孤立、突出；3）潮湿的土壤，因为其电阻率低；4）金属结构的建筑物，包括金属线缆等，因为具有良好的导电性能；5）高层建筑物还有遭侧击雷的可能，即天面以下，地面以上，例如外挂空调机。例如，2004年6月26日，浙江临海市杜桥镇，在5棵大树底下的简易塑料棚里，因雷击死17人，伤13人。又如1967年6月24日，北京和平里，高压输电线附近有棵大树，树上引一晒衣铁丝至屋墙，隔墙内有一金属毛巾架，雷击时，将毛巾架下的一女孩击毙。所以我们在作雷击案例分析或风险评估时，首先要观察现场的周边环境，看看是否是一个明显的引雷点。雷电之所以破坏性很强，主要是因为它把雷云蕴藏的能量在短短的几十微秒内释放出来，瞬间功率极其巨大。4.1.2外部防雷装置的基本原理图4.1所示的是一个基本的外部防雷装置，它包括三个部分：1）接闪器；2）引下线；3）接地体。它的基本原理就是：引雷入地。其中接闪器的四种常见形式是：避雷针；避雷线（用在高压线路上）；避雷带（沿屋顶四周）；避雷网（利用屋顶上的金属配筋）。图4.1外部防雷装置示意图对于单支避雷针（见图4.2），其保护范围可以近似认为：以尖顶为中心的45º锥体内-67-的空间（以前的英、日标准就如此规定）。最新的方法应按滚球法确定，有关此方面的详细内容可参见[1]。图4.2避雷针的保护范围值得注意的是外部防雷装置的作用是吸引闪电电流，并把它迅速导入大地。它是防护直击雷，保护建筑物的有效手段。在外部防雷装置保护范围内的建筑物可以免遭直击雷的侵袭，也可以减弱但不能防护由感应产生的和经金属导体传入电子设备内部的雷电电磁脉冲。如某石油化工企业的石蜡加氢装置的DCS于2004年7月遭雷击，使操作站的工控机底板损坏以及显示器无序闪烁。该DCS的控制室为单层的独立建筑物，未设防直击雷装置。而和它相距不到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。4.2雷电对控制系统侵害的途径雷电对控制系统侵害的途径主要有：静电感应（电容性耦合）、电磁感应(电感性耦合)、反击（电阻性耦合）和电磁场辐射（电磁耦合）等几种。下面将予以说明。4.2.1静电感应（电容性耦合）当空间有带电的积雨云出现时（见图4.3），在积雨云下的地面、建筑物和金属导体表面由于静电感应的作用会感应出与雷云下端电荷异号的电荷。由于从积雨云的出现到发生雷击所需要的时间比雷击放电过程的时间要长得多，因此大地可以有充分的时间积累大量电荷。这样积累起来的电荷我们称作为束搏电荷，停留在地面或金属导线上。当闪击与地面的异种电荷迅速中和后，某些局部，例如金属导线上感应电荷，由于与大地间的电阻比较大，而不能在同样短的时间内立即消失，这样就会形成局部地区感应高电压，其值可达几千几万伏。这样由静电感应形成的过电压就可能通过金属线缆和金属导体流经控制系统时带来了破坏作用。这种由静电感应形成的过电压同样也会在建筑物内部的金属构架与接地不良的金属器件之间造成火花，这对存放易燃易爆物质的场所就有引起爆炸的危险。（例：1989年8月12日山东黄岛特大油罐起火，就是非金属油罐里面的钢筋未作屏蔽接地，外露钢筋间隙放电所至，死19人，伤害78人，烧了4天，损失几千万。）-68-22雷云（带负电）金属贮槽（带正电）图4.3静电感应建筑物1设备1EBB1PE1建筑物2设备2EBB2PE2信号线干扰电流雷电通道180e.ppt/16.11.99/ESC180e_bRA图4.4电容性耦合图4.4是静电感应（电容性耦合）的一个实例。雷电通道（或接闪器）和设备1、设备2之间的信号线发生电容性耦合。图中的干扰电流也称“注入电流”，约10A。干扰电流通过设备1和设备2的绝缘而流入大地。4.2.2电磁感应(电感性耦合)179e_a179e.ppt/16.11.99/ESC建筑物1建筑物2感应环信号线干扰电流设备1设备2图4.5电感性耦合（感应环在信号线之间）雷云放电时，空间存在着强大的电磁场，处在该电磁场作用下的金属线缆因切割磁力线-69-会感应出的数以千伏的浪涌电压。如果金属线缆之间形成了一个回路，该回路内又有一定的空气间隙（如几厘米长），则浪涌电压会在间隙处发生火花放电并将设备击穿。如果金属线缆之间形成了一个流通的闭合回路，则感应电压会在回路内形成闭合电流，该电流流经接触不良的接点或阻抗会产生局部过热，也能将设备烧坏。图4.5和图4.6为两个电感性耦合但感应环不同的例子。179e_b179e.ppt/16.11.99/ESC建筑物1建筑物2信号线干扰电流EBB2PE2EBB1感应环设备2PE1设备1图4.6电感性耦合（感应环在信号线和地之间之间）4.2.3反击（电阻性耦合）在建筑物或金属设备遭直击雷时，由于在建筑物引下线内或金属设备内流过很大的电流，这电流在流入接地装置时，会使地电位相对于远端浮动几万、几十万伏，这时如近处的设备和远处的设备间有金属导线相连且都又是单独接地时，那么就会将近处和远处的设备同时击坏（见图4.7），或击坏其中一个（取决设备和导线(包括分布电感)的分压比）。176eî1建筑物1设备1EBB1PE1î2建筑物2设备2EBB2PE2信号线干扰电流î2图4.7反击（电阻性耦合）4.2.4电磁场辐射（电磁耦合）远距离雷电放电产生的电磁场会在大范围的数据传输网上感应出过电压，这种干扰会传递到电子设备端口上。但直接辐射的电磁场往往会使电子系统失效，但造成电子设备损坏-70-的可能性较小。4.3雷电电磁脉冲（LEMP）的基本防护措施雷电电磁脉冲（LEMP）的基本防护措施如图4.8所示。外部防雷措施综合防雷系统内部防雷措施接闪器引下线接地装置屏蔽(隔离)等电位连接共用接地系统安装SPD屏蔽合理布线提高抗扰度图4.8雷电电磁脉冲（LEMP）的基本防护措施4.3.1屏蔽屏蔽包括电缆的屏蔽和控制室的屏蔽，关于控制室的屏蔽将在第5章中详细讨论。本章只讨论电缆的屏蔽。A.静电屏蔽对信号电缆的屏蔽，许多行业规范（如国家石油和化学工业局于2000年发布的《仪表系统接地设计规定（HG/T20513-2000）》）对屏蔽电缆的接地，原则上是规定一端接地，另一端悬空。但单端接地只能防静电感应（即电容性耦合），抑制不了由于电磁感应（即电感耦合）所产生的干扰，无碍于雷电波的侵入。图4.9为进行静电屏蔽的原理图。30。分布电容引下线屏蔽层电缆芯线图4.9静电屏蔽-71-B.关于信号传输线的双层屏蔽图4.10双层屏蔽的防雷原理Cu-铜棒6mm²或Fe-铁棒16mm²电源线50cm如果需要建议屏蔽15cm信息线部分雷电流被保护线路屏蔽线图4.11互相连接的钢筋电缆沟为此，除了内屏蔽层的一端做等电位联接外，还应增加有绝缘隔开的外屏蔽层，外屏蔽层应至少在两端作等电位联接。在雷击时外屏蔽层与地构成了环路，感应出一电流，该电流产生的磁通抵消或部分抵消雷击的源磁场的磁通，从而抑制或部分抑制无外屏蔽层时所感应的电压（见图4.10，图中只画了外屏蔽层）。通常，可利用金属走线槽或穿金属管作为外屏蔽层，但必须保证槽与槽之间或金属管与金属管之间的连接良好且两端接地（管线较长时，宜每隔30米设一个接地点）。如果将外屏蔽层直接埋地，特别在进控制室前的不小于15米处，它会受到很好的防雷效果。从室外进入控制室的电缆，如不采用双层屏蔽措施，在控制室屋外入口处宜采用格栅形钢筋混凝土电缆沟（见图4.11），其钢筋格栅的形状如图4.11左下角所示，典型的网格宽度为15cm,钢筋的直径宜大于6mm。钢筋格栅必须与建筑物的钢筋相连接。电缆沟的长度应符合下列表达式的要求，但不应小于15m。L≥2式中：L---格栅形钢筋混凝土电缆沟长度；ρ--格栅形钢筋混凝土电缆沟处的土壤电阻率（Ω·m）。信号线雷击的源磁场（右手）环流I外屏蔽层外屏蔽层环流产生的磁场（左手）-72-4.3.2合理布线A.减少感应环路面积最初的形势高的电磁场通过感应环路设备电源线感应环路通信线设备屏蔽第一种衰减了的电磁场通过感应环路设备感应环路建筑物或屏蔽房间LPZ1第二种衰减了的感应环路屏蔽设备感应环路第三种在屏蔽闭合导体中的导体屏蔽屏蔽了的空间设备屏蔽导体图4.12减少感应环路面积由于减少感应环路面积可以减小互感，从而可以抑制干扰的电感性耦合。图4.12为减少感应环路面积的实例。B.和引下线保持一定距离控制系统电缆和防雷引下线的净距如表4.1所示（引自[GB50343-2004建筑物电子信息系统防雷技术规范]）。表4.1信号电缆和防雷引下线的净距最小平行净距（mm）最小交叉净距（mm）1000300如线缆敷设高度超过6000mm时，与防雷引下线的交叉距离应按下式计算：S≥0.05H式中：H---交叉处防雷引下线距地面的高度（mm）；S---交叉净距（mm）。4.3.3浪涌保护器（SPD）A.浪涌保护器（SPD）的基本原理SPD是一种限制瞬态过电压和分走浪涌电流的器件。图4.13是浪涌保护器的基本