DCS系统防雷技术探讨

辛 龙，卢永慧

1.菱化高新聚合产品（宁波）有限公司，浙江 宁波 315812

2.中海石油宁波大榭石化有限公司，浙江 宁波 315812

1 DCS系统防雷技术介绍

雷击是一种自然现象，它的巨大能量众所周知。DCS是分散控制系统（Distributed Control System）的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统。随着电脑通信设备的大规模使用，雷电以及操作瞬间过电压对DCS系统的危害越来越严重。以往的防护体系已不能满足电脑通信网络安全的要求。应从单纯一维防护（避雷针引雷入地=无源防护）转为三维防护（有源和无源防护），包括：防直击雷，防感应雷电波侵入，防雷电电磁感应，防地电位反击以及操作瞬间过电压影响等多方面作系统综合考虑，因此总的防雷原则是：将绝大部分雷电流直接接闪引入地下泄散（外部保护）； 阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波（内部保护及过电压保护）；限制被保护设备上浪涌过压幅值（过电压保护）。这三道防线，相互配合，各行其责，缺一不可。

2 雷电对DCS的危害

雷电电磁脉冲干扰对DcS控制系统的危害是：由强大的雷闪电流产生的脉冲电磁场，它对DCS系统的干扰有如下两种形式：当控制室建筑物的防直击雷装置接闪时，在引下线内会通过强大的瞬间雷电流，如果在引下线周围的一定距离内设有连接DCS系统的电缆（包括电源、通信以及I/O电缆），则引下线内的雷电流会对DCS的电缆产生电磁辐射，将雷电波引入DCS系统，干扰或损坏DCS系统；当控制室周围发生雷击放电时，会在各种金属管道、电缆线路上产生感应电压。如果这些管道和线路引进到控制室把过电压传到DCS系统上，就会对DCS系统产生干扰或损坏。此外，当空中携带大量电荷的雷云从控制室上空经过时，由于静电感应使地面某一范围带上异种电荷，当直击雷发生后，云层带电迅速消失，而地面某些范围由于散流电阻大，以至出现局部高电位，它会对周围的导线或金属物产生影响，这种静电感应电压也会对DCS系统产生干扰或损坏。如防雷及接地措施不当，雷击发生时，由于雷电流迅速变化在其周围空间产生瞬变的强电磁场，使附近导体上感应出很高的电动势，诱发强大的雷击电磁脉冲，经感性耦合、容性耦合或电磁辐射产生脉冲过电压和过电流损坏DCS系统I/O单元、主控单元等硬件和通讯系统。

3 DCS系统雷击案例分析

3.1 DCS系统雷击案例

公司某装置控制系统在雷击中发生故障，许多数据无显示，部分控制输出不起作用，故障诊断中I/O卡件及部分数据转发卡闪红灯，控制柜内卡件闪红灯。经排除更换了故障卡件后恢复系统正常运行，共损坏卡件42 块，其中SP313卡21块，SP233卡7块，SP316卡9块，SP322卡5块。经浙大中控专家检测分析卡件故障原因主要是：强浪涌电压（雷击）信号接入，导致卡件上的各通道芯片被击穿或烧坏造成无法正常工作，卡件上元器件特别是集成电路基本上全部损坏；强浪涌电压（雷击）干扰通过某部分通道接入卡件，导致相应的通道故障。

系统也曾遭受过雷击的损坏烧坏了4块，8万t合成氨装置也出现过雷击时模入信号变化很大，通讯系统出现“死机”现象。并且都导致过UPs电源跳到旁路或UPs输出故障，导致装置停车。

3.2 雷击DCS系统现场原因分析

1）强浪涌电压（雷击）通过I/O信号进入系统。通过对现场控制系统损坏的卡件检查，主要是I/O卡件的输入输出接口元器件损坏，当雷电发生时，装置上I/O电缆极易接收遭受雷电放电时产生的强大的脉冲电磁场，在信号线上感应数以千伏计的浪涌电压，并通过卡件形成电流回路击坏相应的卡件通道或公共电路。

2）强浪涌电压（雷击）通过DCS控制系统的接地点进入系统。当雷电产生后，通过I/O电缆的走线桥架和建筑物接地引下线的电流产生的电感性耦合，会在附近的I/O金属线缆上感应出数以千伏的浪涌电压。

3）强浪涌电压（雷击）通过电源线进入UPS系统

当雷电发生时，暴露在空中的电力电缆极易受到雷击影响，在其电缆上感应形成数以千伏计的的浪涌电压，通过电力系统损坏UPS（不间断电源）系统设备。

4 DCS系统的防雷系统技术改造

针对公司DCS系统现状，影响DCS系统安全稳定运行的防雷系统主要因素有：1） DCS系统部份信号线外部I/0电缆敷设不规范；2）DCS系统接地电阻不断增大易受雷电电磁脉冲干扰；3）DCS供电系统（UPS）受雷击干扰导致输出电压故障

4.1 对外部信号线改造

对外部信号线的敷设进行整改，将暴露在桥架外的信号线，穿金属套管，且金属套管每隔30米进接地；保持外部I/O电缆走线槽之间的良好连接并接地，将电缆走线槽的盖板之间用电焊将其焊接为一个整体桥架，并进行接地。使整个桥架成为一个屏蔽金属体，防止雷击形成的强浪涌信号进入控制系统。

4.2 重新改造防雷接地系统

1）DCS系统接地环境改善

首先改变接地体周围的土壤结构。在接地体周围的土壤2m～3m范围内，掺入不溶于水的、有良好吸水性的物质，如木炭、焦碳煤渣或矿渣等，该法可使土壤电阻率降低到原来的1/5～1/10。

再用食盐、木炭降低土壤电阻率，用食盐、木炭分层夯实。木炭和细掺匀为一层，约10cm～15cm厚，再铺2m～3m的食盐，共5～8层，铺好后打入接地体，此法可以使得电阻率下降至原来的 1/3～1/5。

2）选用铜棒Φ20×2800mm接地桩作等边三角形接地网

3）在UPS电源市电输入端增加防浪涌保护器

浪涌保护器是一种限制瞬态过电压和分走电涌电流的器件。按其在DCS中的用途可分为:I/O信号防雷器和通讯线路防雷器两种。当有连接电缆从室外或其他系统进入控制室时，装设SPD可以防护电子设备免遭雷电浪涌的闪击。但是，如果所有的I/O通道都装设SPD，成本将大幅度上升；再则，控制系统遭雷击的概率毕竟很低，不能强调万无一失，否则从经济观点出发就太浪费了。因此在DCS系统里选用电源防雷器。

5 结论

DCS系统防雷系统改造后，其接地电阻均小于4欧姆，系统接地良好。经过雷雨季节气的检验，改造后的系统通讯畅通，I/0信号稳定，UPS电源输出电压稳定。保证了化工生产的安全、稳定、长周期运行。