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控制系統(tǒng)防雷淺談

文檔作者：劉沙文檔來源：中國石油化工股份有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年11月04日
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過程控制實(shí)施技術(shù) 石 油 化 工 自 動(dòng) 化，2008，3：81
AUT0M AT10N IN PETRO—CHEMICAL INDUSTRY
控制系統(tǒng)防雷淺談
劉 沙
(中國石油化工股份有限公司安慶分公司，安徽安慶246001)
摘要：分析了控制系統(tǒng)的常見雷擊原因和防護(hù)措施，介紹了安慶石化丙烯腈部TS3000控制系統(tǒng)防雷工程改造情況，總
結(jié)出通過合理選用浪涌保護(hù)器和采取等電位連接、電磁屏蔽、共用接地系統(tǒng)的方式組成的內(nèi)部防雷裝置可有效防止和減少雷電
對(duì)控制系統(tǒng)造成的危害。
關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；防雷；過電壓
中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1007—7324(2008)03—0081—03
1 引 言
隨著技術(shù)的進(jìn)步，以電子設(shè)備為主體的控制系
統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。但同時(shí)由于雷擊影響，控制系
統(tǒng)因此損壞或工作異常的情況時(shí)有發(fā)生。由于石油
化工行業(yè)的特點(diǎn)，這種情況一旦發(fā)生，就會(huì)給生產(chǎn)造
成巨大損失。因此，控制系統(tǒng)的防雷工作非常重要。
石化行業(yè)控制系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)。
a)絕緣耐壓能力遠(yuǎn)低于普通電力設(shè)備，電力
系統(tǒng)普遍使用的避雷設(shè)施(避雷器、過電壓保護(hù)器)
動(dòng)作后的殘壓水平往往仍高于控制系統(tǒng)的允許值，
故對(duì)控制系統(tǒng)不能起到很好的保護(hù)作用。
b)系統(tǒng)信號(hào)輸入均為弱電信號(hào)，抗瞬態(tài)電磁
脈沖(瞬態(tài)浪涌)影響的能力較差，一旦發(fā)生瞬態(tài)電
磁脈沖侵入系統(tǒng)的情況，系統(tǒng)易發(fā)生異常情況。
c)由于雷電作用時(shí)間短(ns)，遠(yuǎn)小于控制系
統(tǒng)的自檢周期(大于100 ms)，故控制系統(tǒng)因受雷
電影響而工作異常時(shí)，相關(guān)記錄有可能不夠完善。
2 控制系統(tǒng)常見雷擊原因分析
一般情況下，控制系統(tǒng)與外界的聯(lián)系可分為3
種(如圖1所示)。電源線、信號(hào)線及設(shè)備地線，因
而，無論浪涌過電壓產(chǎn)生的形式如何，最終會(huì)通過
這3個(gè)途徑中一種或幾種對(duì)設(shè)備放電，造成設(shè)備損
壞。因此對(duì)于任何一個(gè)需要保護(hù)的空間內(nèi)的設(shè)備，
只要截?cái)嗫臻g外界浪涌過電壓的進(jìn)入途徑，即可達(dá)
到防護(hù)的要求。
圖1中，控制設(shè)備與外界聯(lián)系的帶電金屬線纜
是引雷途徑，包括：電源線、控制通訊線以及設(shè)備的
地線。因此，控制系統(tǒng)設(shè)備因雷擊損壞，其原因可歸
納為兩點(diǎn)：線路傳導(dǎo)浪涌過電壓及地電位反擊。
2．1 線路傳導(dǎo)過電壓的形式
a)遠(yuǎn)點(diǎn)雷電的侵入。對(duì)于存在架空線路的系
統(tǒng)危害最為嚴(yán)重。處于控制室內(nèi)部的控制系統(tǒng)由于
控制室的保護(hù)，室內(nèi)和建筑物近旁不可能遭受直接
雷擊，但若控制系統(tǒng)的電力線、控制信號(hào)線為架空引
入，則在建筑物遠(yuǎn)處可能遭受直接雷擊，沿線路傳導(dǎo)
的雷電過電壓就會(huì)侵入設(shè)備內(nèi)部，造成設(shè)備損壞。
b)近點(diǎn)雷電磁場感應(yīng)。當(dāng)建筑物遭受雷擊或
在建筑物近旁發(fā)生雷擊時(shí)，強(qiáng)大的脈沖電流會(huì)在周
圍空間產(chǎn)生交變磁場(雷電中心1．5～2 km 的范
圍內(nèi)都可產(chǎn)生危險(xiǎn)的過電壓)，處于磁場中的導(dǎo)體
因此而感應(yīng)出高電壓，沿線路產(chǎn)生的過電壓竄入設(shè)
備，造成設(shè)備損壞。
c)電感、電容性負(fù)載的啟動(dòng)。即通常所說的
開關(guān)操作過電壓。電壓在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生瞬變，
電壓時(shí)間特性曲線的陡度(du／dt)較高，形成幅值
較高的脈沖電壓加載在供電線路上，沿線路竄入設(shè)
備，造成設(shè)備損壞。
圖1 控制系統(tǒng)與外界的聯(lián)系方式
2．2 地電位反擊
根據(jù)文獻(xiàn)Eli中“全部的雷電流的50 流入建
筑物防雷裝置的接地裝置，其另50 9／5分配于引入
收稿日期：2008—02一O1。
作者簡介：劉 沙(1972一)，男，安徽東至人，1993年畢業(yè)于
浙江大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)工作于中石化股份有限公司安慶分
公司機(jī)動(dòng)部，任設(shè)備管理工程師。
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石油化工自動(dòng)化
建筑物的各種外來導(dǎo)電物、電力線、通信控制線的
設(shè)備”?？梢钥闯霎?dāng)建筑物遭受雷擊時(shí)，約有50
的雷電流通過建筑物地網(wǎng)泄人大地，另外約有50
的雷電流通過與等電位帶相連接的接地導(dǎo)線進(jìn)入設(shè)
備。因此當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，地網(wǎng)電位被抬升，與匯流排
相連的設(shè)備外殼電位也隨之升高，設(shè)備的電力、通信
控制線的低電位與機(jī)架或地線之間的高電位存在高
電位差而發(fā)生反擊放電，從而使電子設(shè)備損壞。
3 控制系統(tǒng)應(yīng)采取的防護(hù)措施
防雷措施主要是采用接閃分流、接地、屏蔽、等
電位連接、綜合布線和過電壓保護(hù)六種方法，形成
一個(gè)多層次的完整的防護(hù)體系[2]。
3．1 線路傳導(dǎo)過電壓的防護(hù)
根據(jù)傳導(dǎo)過電壓形成的3種方式及其傳播途
徑，對(duì)于控制設(shè)備的防雷保護(hù)可從以下幾個(gè)方面進(jìn)
行考慮。
a)電源線路過電壓防護(hù)。根據(jù)IEC防雷分區(qū)
原理及石油石化行業(yè)中控室的特殊性，其供電線路
過電壓的防護(hù)可采用3級(jí)防雷保護(hù)來實(shí)現(xiàn)。第1級(jí)
電源防雷器一般采用通過工級(jí)分類測試實(shí)驗(yàn)的電涌
保護(hù)器(SPD)；第2級(jí)可采用限壓型SPD，其核心原
器件為壓敏電阻，該電阻具有通流量較大(國內(nèi)外壓
敏電阻的最大通流量為40 kA)、低殘壓的特點(diǎn)。
b)控制信號(hào)線路過電壓防護(hù)。為達(dá)到對(duì)設(shè)備
的有效保護(hù)，依據(jù)IEC防雷分區(qū)原理：信號(hào)部分也
可采用多級(jí)保護(hù)方式將雷電流幅值降到設(shè)備承受
能力范圍內(nèi)。在LPZ0n(直擊雷非防護(hù)區(qū))、LPZ0
(直擊雷防護(hù)區(qū))與LPZ (第一防護(hù)區(qū))的交界處進(jìn)
行粗級(jí)防雷保護(hù)；在LPZ 與LPZ。(第2防護(hù)區(qū))
的交界處，采用精細(xì)保護(hù)防雷器。
c)屏蔽。通過屏蔽，盡量將控制室形成一個(gè)
法拉第籠，可有效防止或減少雷電磁場感應(yīng)。
3．2 地電位反擊的防護(hù)
對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)備所在建筑物的主要金屬構(gòu)件和
進(jìn)入建筑物的金屬管道，供電線路(含外露可導(dǎo)電部
分)，防雷裝置，以及控制系統(tǒng)等實(shí)行等電位連接。
實(shí)行等電位連接的連接體：金屬連接導(dǎo)體；無
法直接連接時(shí)而做瞬態(tài)等電位連接的SPD。
4 安慶石化丙烯腈部TS3000控制系統(tǒng)防雷工程
改造情況
安慶地區(qū)屬于多雷區(qū)，年雷暴日為44．3 d。在
2006—06—23T14：23和2006～08—24T17：28，丙
烯腈C一101空壓機(jī)就兩次因TS3000系統(tǒng)受雷電
影響工作異常而跳閘。
該空壓機(jī)2次跳車的情況一樣，是該區(qū)域當(dāng)時(shí)
受到強(qiáng)雷電影響，雷電產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁脈沖(瞬態(tài)浪
涌)侵入了TS3000系統(tǒng)，造成系統(tǒng)工作瞬間異常，引
起聯(lián)鎖動(dòng)作，機(jī)組跳車。事發(fā)時(shí)，控制系統(tǒng)交直流電
源供電電壓正常，未發(fā)現(xiàn)供電空氣開關(guān)跳閘、保險(xiǎn)絲
熔斷的情況；現(xiàn)場儀表工作正常，TS3000系統(tǒng)各卡
件工作運(yùn)行狀態(tài)指示正常，無報(bào)警指示。儀表未作
處理，直接重新開車，啟動(dòng)運(yùn)行正常。
事情發(fā)生后，技術(shù)人員高度重視暴露出的儀表控
制系統(tǒng)的防雷問題，對(duì)事發(fā)現(xiàn)場進(jìn)行了仔細(xì)分析。
該空壓制冷系統(tǒng)所在建筑物地處整個(gè)廠區(qū)最北
邊，僅西北邊有較高的生產(chǎn)裝置等構(gòu)筑物遮擋，因而
建筑物遭受直接雷擊的可能性極大。該建筑物天面
原已有避雷帶[3 (頂部及建筑物四周邊緣)，但建筑
物四周為開放式結(jié)構(gòu)，對(duì)雷電電磁波侵入的屏蔽能
力較差。在建筑物南北兩邊設(shè)置有均勻分布的8處
接地引下線，經(jīng)檢查測量接地良好。但北邊中間及
東邊的引下線距控制室控制電纜走線橋架及其設(shè)備
保護(hù)接地和信號(hào)專用接地的距離較近，在直擊雷雷
電流泄放時(shí)易對(duì)附近的控制電纜產(chǎn)生雷電感應(yīng)。
控制室控制柜設(shè)置有獨(dú)立的設(shè)備保護(hù)接地和信
號(hào)專用接地，間隔不到20 m，未進(jìn)行瞬態(tài)等電位連
接處理，且與建筑物直擊雷防護(hù)避雷帶引下線接地
距離較近，在發(fā)生強(qiáng)雷擊時(shí)容易產(chǎn)生地電位反擊，造
成設(shè)備的誤動(dòng)甚至損壞。TS3000系統(tǒng)機(jī)房控制室
天面設(shè)置有避雷帶，接地引下線完好，但控制室內(nèi)的
門窗未有效接地。控制室內(nèi)控制系統(tǒng)的電源及控制
信號(hào)的出入電纜未設(shè)置雷電浪涌防護(hù)措施。
由以上分析可知，該控制系統(tǒng)的防直擊雷措施
較為完善，但對(duì)線路傳導(dǎo)浪涌過電壓及地電位反擊
的防范措施不足，存在較大的感應(yīng)雷擊隱患。
根據(jù)以上情況，筆者有針對(duì)性地對(duì)該控制系統(tǒng)
進(jìn)行了防雷工程改造，主要措施如下。
對(duì)控制室電源系統(tǒng)采用三級(jí)防雷保護(hù)[4]：在
控制室UPS電源總進(jìn)線空氣開關(guān)后端，采用1套
Phoenix公司生產(chǎn)的具有自解耦功能的防雷器，進(jìn)
行B，C兩級(jí)防雷保護(hù)；在220 V AC交流母線分配
回路(共15路)上，采用限壓型防雷器，與前級(jí)防雷
器配合，進(jìn)一步降低供電線路中的過電壓；在控制
柜24 V直流冗余電源輸入端(2路)安裝防雷器，
在冗余24 V DC直流電源輸出分配回路(5路)安
裝電源防雷器。
對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行全面防護(hù)：針對(duì)模擬量信號(hào)、
數(shù)字量(開關(guān)量)信號(hào)、脈沖信號(hào)選用不同類型防雷
器進(jìn)行防雷防護(hù)。
室內(nèi)等電位連接：由于控制系統(tǒng)工作地獨(dú)立，
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第3期 劉沙．控制系統(tǒng)防雷淺談 83
采用地電位保護(hù)器來實(shí)現(xiàn)正常工作狀態(tài)下兩種保
護(hù)地的隔離，雷電過電壓產(chǎn)生時(shí)瞬態(tài)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)瞬
態(tài)等電位連接。在防靜電地板下采用30 mm×
3 mm銅排沿控制柜方向敷設(shè)環(huán)型接地等電位帶，
將設(shè)備的保護(hù)工作接地、室內(nèi)的靜電地板金屬龍
骨，金屬門窗、金屬走線架、電力電纜屏蔽層等金屬
構(gòu)件采用16 mm。BVR銅纜壓接接地處理。對(duì)于
安裝在機(jī)柜內(nèi)的電子設(shè)備，將固定在機(jī)柜底部的匯
流排(PG與sG)作為各自的公共接地參考點(diǎn)。信
號(hào)(sG)匯流排通過地電位保護(hù)器連接在中控室的
總接地排上。
防雷工程改造實(shí)施后取得了良好效果，提高了
該控制系統(tǒng)防雷電干擾的能力。
5 結(jié)束語
由于歷史原因，以往石化行業(yè)相對(duì)重視對(duì)直
擊雷的防護(hù)，而對(duì)感應(yīng)雷的危害性重視不夠。20
世紀(jì)90年代以來，電子化、信息化控制系統(tǒng)在石
化企業(yè)得到大量使用，工藝生產(chǎn)對(duì)控制系統(tǒng)的依
賴度越來越大。由于種種原因，這些系統(tǒng)往往存
在較大的感應(yīng)雷擊隱患，應(yīng)該通過針對(duì)性的防雷
工程改造以有效地提高控制系統(tǒng)在雷雨氣候下
的工作可靠性。
參考文獻(xiàn)：
1 GB50057—94(2000年版)，建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范
2 IEC1312，雷電電磁脈沖的防護(hù)
3 GB50343—2004，建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范
4 GA267—2000，計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)雷電電磁脈沖安全防護(hù)規(guī)范
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1．征文范圍：涉及水處理、氯堿、石油相關(guān)行業(yè)的合作經(jīng)歷、展望等。
2．征文內(nèi)容：講述民和產(chǎn)品(例如TOMOE 巴閥門產(chǎn)品)的應(yīng)用實(shí)例；對(duì)民和的意見或建議；講述與民和的故事? ?
3．以“我與民和”、“民和點(diǎn)評(píng)”、“我給民和提建議”、“民和的代理之路”?? 即與民和公司有關(guān)的命題，均可選用。
4．取材要求：真實(shí)，可靠?！豆I(yè)水處理》—— 側(cè)重水處理行業(yè)；《石油化工自動(dòng)化》— — 側(cè)重石油化工行業(yè)；《化工自動(dòng)
化及儀表》——側(cè)重石油化工行業(yè)；《流程工業(yè)》—— 側(cè)重暖通、醫(yī)藥、半導(dǎo)體、汽車、煙草、食品、船舶等行業(yè)；《控制閥信
息》—— 側(cè)重冶金、鋼鐵、電力、石化、石油天然氣等行業(yè)。
5．字?jǐn)?shù)不限，題載不限，鼓勵(lì)文章用數(shù)據(jù)、圖表說話。
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發(fā)送郵件至minhe@tomoe．com．cn并統(tǒng)一以“征文”為郵件標(biāo)題。
投稿起止時(shí)間：2008—01—01～O6—30
獎(jiǎng)項(xiàng)設(shè)置
特等獎(jiǎng)：1名，筆記本電腦一臺(tái)(或等同價(jià)值的物品，價(jià)值約10 000元)
一等獎(jiǎng)：2名，瑞士梅花表或浪琴表(或等同價(jià)值的物品，價(jià)值約5 000元)
二等獎(jiǎng)：3名，高檔皮具(或等同價(jià)值的物品，價(jià)值約2 000元)
其他入圍獎(jiǎng)：5名，2008年奧運(yùn)會(huì)紀(jì)念品一套(或等同價(jià)值的物品，價(jià)值約1 000元)
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