曲阜中联水泥总控室及分控站防雷系统设计

孙　龙

[摘要]依据我国国家标准、国际电工委员会标准和相关行业标准规范,结合曲阜中联水泥总控室及分控站防雷工程实际,分析雷电侵害工业自动控制系统(DCS)的几种途径,对总控室及分控站综合防雷措施作详细介绍,并对其接地系统和等电位连接作阐述,从而提出防雷系统设计。

[关键词]DCS防雷工业自动控制接地系统等电位连接

中图分类号:TM92文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0920018-01

由于DCS大量采用VLSI COMS集成电路和CPU,普遍存在着绝缘强度低,抗过电压、过电流及电磁脉冲能力差等致命弱点,同时各现场传感器安装在工厂的各个环境之中,使DCS遭受雷击的概率增大。

一、DCS雷电防护原理分析

(一)防雷系统设计理论依据

国际电工委员会IEC/TC-81有关防雷设计标准、我国现行的国家防雷标准规范及在国际电工委员会防雷技术精华的基础上制订的各项防雷技术标准规范,对我们的实际工作具有重要的指导意义。这些标准规范中都重点提出了防雷系统中的两个核心理论:防雷分区和等电位连接。

(二)防雷系统设计应采取的基本防雷措施

1.外部直击雷防护采用避雷针、避雷带、避雷网等作为接闪器,通过引下线将雷电流泄放至接地装置,确保建筑物免受直击雷的侵袭。

2.内部感应雷防护是为保护建筑物内部的设备以及人员的安全而设置的,是从整体上建立起三维的防护体系,主要包括加装电涌保护器(SPD)、屏蔽、等电位连接等措施。

二、曲阜中联水泥DCS防雷系统设计

(一)DCS防雷现状分析。总控室位于变电站二楼,所在建筑物为框架结构,长约30m,宽20m,高16m,已安装避雷网作为防直击雷措施。屋面卫星天线在避雷网保护范围之内。

5个分控站所在建筑物情况与总控室基本一致,供电、网络、通讯等系统均未做防雷保护。

(二)DCS建筑物防雷分类及雷电防护等级。

1.总控室及分控站建筑物防雷分类确定。根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)附录一中建筑物年预计雷击次数的计算公式N1=kNgAe,计算如下:

K=1,总控室及分控站所处的地理环境无特殊性,k值取1。

Ng=0.024Td1.3=0.024×(29.1)1.3=1.92(次/km2·年),曲阜地区的年平均雷暴日Td=29.1天。

Ae=[LW+2(L+W)·+πH(200-H)]·10-6=0.015km2

N1=kNgAe=1×1.92×0.015=0.0288(次/年)

根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)第二章第2.0.4条之规定,确定总控室及分控站建筑物为第三类防雷建筑物。

2.总控室及分控站电子信息系统雷电防护等级确定。根据国家标准《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004附录A的要求,计算总控室及分控站电子信息系统雷电防护等级:

N2=Ng·A'e=(0.024Td1.3)·(A'e1+A'e2)=0.1536(次/年)

N=N1+N2=0.0288+0.1536=0.1824

Nc=5.8×10-1.5/C=5.8×10-1.5/(1.0+3.0+3.0+1.0+2.0+1.0)=0.017(次/年)

根据国家标准《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004第四章第4.2节第4.2.3条的规定,N=0.1824>Nc=0.017,确定总控室及分控站电子信息系统应安装雷电防护装置。

根据国家标准《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004第四章第4.2节第4.2.3条的规定E=1-Nc/N=1-0.017/0.1824=0.91,0.90

确定总控室及分控站信息系统雷电防护等级为B级。

(三)总控室及分控站电源系统雷击电磁脉冲防护措施。总控室位于变电站的二楼,所在建筑物供电系统采用架空电缆从室外引入两路6KV高压电分别进入一楼配电室的1#及2#变压器,经过6kV/0.38kV变压及配电输出后,向总控室及五个分控站供电,接地制式为TNC-S系统。一楼配电室输出4路电源至交流电源屏、总控室空调照明配电箱、DCS柜UPS、同期柜,接地制式为TNC-S系统,电力电缆总进线穿越了LPZ0区与LPZ1区的界面,应在总配电室2个低压进线柜内、5个分空站的进线柜内各加装一套标称放电电流为120KA的SPD,以此对总控室及分控站电源系统进行第一级保护。考虑老化或寿命终止后可能产生的过电流或接地故障对电源系统设备运行的影响,因此在SPD的电源侧安装过流保护装置,此处选用125A熔断器。

一楼配电室输出4路电源至交流电源屏、总控室空调照明配电箱、DCS柜UPS、同期柜,接地制式为TNC-S,在这4路电源的分路空开后各加装一套标称放电电流为80KA的SPD,以此对总控室电源系统进行第二级保护。

总控室内的电子设备耐冲击电压都比较低,一般在1.5KV以下,为进一步降低残压,在总控室的DCS柜UPS前端、交流电源屏内、总控室空调照明配电箱内各加装一套标称放电电流为40kA的SPD,在4台计算机电源插座处各加装一套插座式SPD。

(四)总控室计算机网络系统雷击电磁脉冲防护措施。总控室网络柜内设有1台16口核心交换机,核心交换机上连接了4台计算机终端,传输速率为百兆,以上计算机网络系统中均未加装SPD做防雷保护。

网络系统进线穿越了LPZ0区与LPZ1区的界面,因为总控室电子信息系统雷电防护等级为B级,应在核心交换机端口前端加装1台16口百兆交换机SPD,在4台计算机网卡前端加装4台百兆网络SPD。

(五)总控室电话系统雷击电磁脉冲防护措施。总控室采用架空电缆引入2对电话线至室内标准电话配线架,穿越了LPZ0区与LPZ1区的界面,无电磁脉冲防护措施,必须通过响应时间为纳秒(ns)级、标称放电电流大于或等于0.5KA的SPD进行等电位连接,并应满足线路传输速率及带宽要求。

(六)总控室天馈线系统雷击电磁脉冲防护措施。卫星信号接收机的天馈线在室外穿钢管进入室内,天馈线接口为BNC头,首先应将天馈线穿管的两端直接连接到避雷网上,其次应在天馈线于LPZ0区与LPZ1区的界面上即卫星信号接收机前端加装合适的SPD,SPD的工作频率、平均输出功率、接口形式及特性阻抗等都必须与系统相匹配。

(七)总控室及5个分控站通讯总线雷击电磁脉冲防护措施。总控室DCS柜内采用5根电缆与5个分控站进行通讯。通讯电缆进线穿越了LPZ0区与LPZ1区的界面,必须安装响应时间为纳秒(ns)级、标称放电电流大于或等于0.5KA,的SPD,并满足线路传输速率及带宽要求。

三、综述

随着社会生产力的飞速发展,人们对生产过程自动化程度的要求越来越高,计算机控制系统(DCS)在生产过程控制中的应用更加广泛,其对于雷电流、雷击电磁脉冲的耐受能力越来越低,它所设涉及的防雷项目是多方面的,必须从多方面考虑防雷保护措施。