丁二烯装置DCS系统的防雷措施

李 桢 沈杰猷

(中国石化股份有限公司茂名分公司化工分部)

丁二烯装置DCS系统的防雷措施

李 桢 沈杰猷

(中国石化股份有限公司茂名分公司化工分部)

针对某2#丁二烯装置DCS系统多次遭受雷电影响的问题，分析雷电入侵DCS系统的途径，并给出了相应的解决措施。

防雷措施 DCS系统 2#丁二烯装置 电涌保护器 入侵途径

茂名乙烯2#丁二烯装置的DCS系统每年都受到雷电影响，使部分模拟输出(AO)卡失去冗余或工作不正常，并曾两次造成大批调节阀失去控制，导致装置非计划停车。为此，笔者针对雷电入侵DCS系统导致的实际问题，对装置停车事故进行了现场调查和原因分析，并提出了有效的防雷措施。

1 问题调查

笔者经过现场调查，总结了茂名乙烯2#丁二烯装置受到雷击后受影响调节阀的情况，具体见表1。可以看出，失控的调节阀大部分集中在装置中部，但也有部分出现在南北走向装置的南北两端，而且一层、二层、三层平台都有，分布在装置的各个区域。失控调节阀相关的AO点分布在4个不同的AO卡上，4个AO卡又分别处于不同的卡笼中。因此，从现场接线箱分布看，与失控调节阀相关的点分布在十几个不同区域的接线箱中。

表1 受雷电影响调节阀的情况

(续表1)

2 雷电入侵DCS系统的途径

雷电对DCS系统的影响可分为3种情况：雷电直击、雷电感应和雷电反击。仪表直接“接闪”的可能性较小，而连接现场仪表和控制室仪表的电缆则有传导雷电感应电波的可能，同时雷电干扰还可能通过地网和供电进入控制室[1]。

2#丁二烯装置DCS系统采用两路UPS供电。其中一路UPS的供电电缆从2#丁二烯装置电气变电所途经室外电缆槽一百多米到达控制室电气配电柜，再由电气配电柜连接到相距三十多米远的仪表机柜室仪表配电柜。室外电缆槽的一百多米电缆采用的是非屏蔽电缆，极易受到雷电干扰，并将干扰带入DCS系统中。

从受干扰调节阀回路的电缆走向情况看，这些电缆都是汇集到同一个电缆槽盒后再进入控制室的。经查，信号电缆的槽盒有部分盒盖缺失或未盖好。同时，由于带电云层静电感应的作用，使地面、槽盒和电缆均带上异种电荷，当直击雷发生或闪电在云层之间放电后，云层带电迅速消失，槽盒和电缆的屏蔽层立刻散流。在直击雷的放电过程中，强大的脉冲电流也可能对槽盒中的电缆或槽盒产生电磁感应电压，发生闪击现象。因此，如果电缆槽盒盖缺失或未盖好，雷电产生的电磁干扰极易入侵电缆，从而进入DCS系统。另外，电缆槽盒进入室内的部分与建筑物的一个防雷引下线距离约10mm，根据文献[2]，信号电缆与防雷引下线的最小交叉净距离为300mm，因此，当由引下线泄放雷电流时，也可能对信号电缆造成干扰。

1#、2#丁二烯装置的DCS系统共用一套接地系统，但是每次受雷电影响的都是2#丁二烯装置DCS系统，因此可以判断，干扰不是从地网引入的。

DCS系统中，数字输入(DI)卡和数字输出(DO)卡的信号都有继电器隔离，模拟输入(AI)卡中有A/D转换器，AO卡中有D/A转换器，而A/D转换器和D/A转换器均是干扰的敏感器件，尤其是D/A转换器最为敏感[3]。因此，当受到雷电干扰后，AO卡比AI卡更容易出现故障。

3 防雷措施

3.1 对室外敷设的UPS供电线路采取两级电涌保护

对于室外敷设的UPS供电线路，在其室内电气配电柜和仪表机柜室的配电柜输入侧各安装一个电涌保护器。电涌保护器的工作原理是：正常情况时浪涌防护器不起作用，对保护线路的工作没有任何影响；当浪涌电流沿着导线到达电涌保护器时，电涌保护器对地导通，瞬间快速将电涌冲击电流释放到大地，将电压限制在不会损坏所连接仪表和设备的安全水平；当电涌电流衰减后，电涌保护器自动恢复到正常状态。

3.2 取消靠近仪表电缆槽盒的防雷引下线

2#丁二烯装置控制室所在的建筑，每隔6m就从钢筋混凝土屋面采用引下线接地一次。根据文献[4]，对于第1类防雷建筑物，现场浇灌或用预置构件的钢筋混凝土屋面，其钢筋网的交叉点应绑扎或焊接，并应每隔18～24m采用引下线接地一次。因此，在满足规范要求的前提下，将靠近槽盒的防雷引下线取消。

3.3 钢板结构的仪表电缆槽盒全程封闭

补齐、盖好槽盒盖，确保槽盒盖之间没有缝隙。将槽体和所有金属部件全程电气连续，槽盒进入控制室的室外部分并与电气专业的接地极用接地线连接。

3.4 信号回路增加电涌保护器

由于仪表设备点多、分布面广，当单台仪表受到雷电干扰后上述3种措施很难避免干扰沿着单台仪表线路入侵到DCS系统。为了提高DCS系统的可靠性，对DCS系统信号回路增加电涌保护器。DI、DO回路在室内都装有继电器隔离，因此回路可以不增加电涌保护器，仅在AI、AO回路中增加电涌保护器即可。

电涌保护器接地方法如图1所示。电涌保护器应尽可能靠近被保护设备，且电涌保护器两端的连接线要短而直[5]。在每个DCS系统的接线端子板柜旁边增加一个电涌保护器柜，电涌电流通过电涌保护器后直接泄放到工作地，其他的地线则与电涌保护器的接地母线条在一点连接，所有电涌保护器母线与分组接地排的连接采用星形连接。为了确保电涌感应形成的最大两端电压低于仪表绝缘指标的要求，机柜和分组接地排之间的连接线长度要小于3m[6]。

图1 电涌保护器的接地方法

4 结束语

2#丁二烯装置DCS系统的防雷改造完成并投入运行后，DCS系统再未出现因雷电干扰导致的卡件失去冗余或工作不正常等问题。由于DCS系统供电从室外引入室内、电缆槽盒进入室内的部分与建筑物的防雷引下线距离太近都可能会将雷电干扰引入DCS系统，因此在原始设计时，应考虑将仪表系统的UPS置于控制室的建筑物内，电缆槽盒远离防雷引下线。装置投用后，要对电缆槽盒做日常检查与维护，确保做到全程封闭。另外，当装置投用后再进行DCS系统防雷改造时需要增加电涌保护器柜，电缆重新布线，接地系统重新施工，工作量大、难度大。因此，应在新装置建设初始阶段就考虑DCS系统的防雷措施。

[1] 李桢.自动化仪表系统防雷的探讨[J].石油化工自动化,2008,44(5):68～71.

[2] GB 50343-2004,建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[3] 王庆斌,刘萍,尤利文,等.电磁干扰与电磁兼容技术[M].北京:机械工业出版社,1999.

[4] GB 50057-2010,建筑物防雷设计规范[S].北京:中国计划出版社,2010.

[5] 谢社初.信息系统雷电过电压的SPD防护[J].电气应用,2007,26(8):16～20.

[6] Eaton Electric Limited.Earthing Guide for Surge Protection[M].Luton:MTL Instruments Group Plc,2011.

李桢(1970-)，高级工程师，从事自动化控制系统的应用与维护工作，lzh107@126.com。

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