化工装置集散控制系统的防雷措施

＊常 想

（福建天辰耀隆新材料有限公司 福建 350309）

前言

雷电发生时会出现自然放电现象，放电电压从几万伏特到几十万伏特不等，而对应的放电电流可以达到数十到数百千安培，而以大型CMOS集成元件组成的DCS系统普遍存在着对暂态过电压、过电流耐受能力较差的缺点，一旦受到直接雷击或者间接雷击轻者造成DCS系统模块离线故障损坏，重者造成生产装置大停车以及发生火灾，给化工厂带来严重的经济损失。

福建福清年平均雷暴日为35天，年最多雷暴日为54天，年最少雷暴日为20天，属于雷电活动的多雷区。福清某大型化工项目生产装置的集散控制系统多次受到雷电的影响，使一些模拟量输入（AI）模块和热电阻（RTD）输入模块离线故障或无法正常工作，并曾三次造成生产装置紧急停车。雷击事件发生后仪表车间维护人员针对雷电电涌侵入集散控制系统造成的现实危害，通过现场调查和问询当时抢修人员，给出了切实可行的DCS防雷击建议书。

1.现场仪表和DCS故障调查

仪表车间维护人员经过现场实地调查研究，总结出受到雷击影响的变送器和DCS模块情况，具体见表1。

表1 受雷电影响仪表情况

续表

受到雷击的各类现场仪表总计112台，DCS有26块模块因部分或者全部通道故障无法使用，表1只列出了9台受到两次及以上雷击的现场仪表及对应的DCS模块。从表1可以看到001机柜室模块受到雷击的概率很大，35号控制站42号模块有2个通道被击中三次，这两台仪表在空旷的外排污水在线站房附近，而在线站房没有防雷措施。37号控制站31号模块有2个通道被击中两次，这些仪表集中在管廊附近。39号控制站的两台仪表也集中在蒸汽管廊附近。

2.雷电侵入集散控制系统的途径

雷电是以雷电直击、雷电静电感应和雷电电磁感应的方式影响现场仪表和DCS控制系统。

(1)雷电直击

仪表机柜室在遭受直击雷时，雷电流将沿机柜室屋面接闪带（网）通过柱内主钢筋引下线和人工接地体进入大地，由于接地电阻的存在，雷电流将在防雷接地系统中产生暂态高电压，如果仪表DCS接地系统是独立的且与001机柜室防雷接地系统的绝缘距离不满足相关规范要求，则将在两接地系统之间产生很高的电压并回流仪表接地系统，给DCS系统造成严重损坏。001机柜室的防雷接地系统和仪表DCS接地系统共用一套接地系统，不会存在上述情况。

(2)雷电静电感应

带电积云是构成雷电的基本条件之一。雷电静电感应就是由于带电积云靠近大地，在电缆桥架电缆或者其它能够导电凸出物顶部感应出大量异种电荷引起的[1]。在带电积云与其它客体发生放电之后，电缆桥架电缆或者其它能够导电凸出物顶部的感应电荷失去了束缚，就以大电流和高电压冲击波的形式，沿着电缆桥架电缆或导电凸出物极速传播到DCS系统。

(3)雷电电磁感应

机柜室建筑物的防雷系统虽然能防止机柜室内DCS和仪表设备遭受直击雷，但不能阻挡雷电电磁感应在现场仪表内部和信号线路上产生的雷电电涌。电磁感应是由于雷电放电时，巨大的冲击雷电流在周围空间产生迅速变化的强磁场引起的[2]，这种迅速变化的磁场能在邻近的仪表线路上感应出很高的电动势并在这一闭合回路上产生很大的冲击电流。雷电电涌沿着电缆线路冲击DCS系统的供电系统和模块，造成供电系统和DCS模块的故障。

3.DCS受雷击原因分析

(1)雷电直击DCS供电线路和高处凸出仪表

001机柜室DCS供电系统采用两路电源供电，一路为UPS电源供电，UPS输出端经隔离变压器输入到五米远的仪表UPS配电柜，并在配电柜中安装电涌保护器。另外一路采用市电供电，供电电缆从电气003变电所经过500多米的室外电缆桥架到达001机柜室电气配电柜，再从电气配电柜连接到仪表市电配电柜。从003变电所到001机柜室的500多米电力电缆不是屏蔽电缆，再加上001机柜室的电气配电柜和仪表市电配电柜均没有安装浪涌保护器，很容易受到雷电的影响，并将雷电干扰带到仪表DCS控制系统中，进而影响到DCS直流供电模块和现场需要220V交流供电的仪表及PLC控制系统。

有部分受到两次雷击的现场仪表安装在蒸汽管廊上，这些仪表存在着成为接闪器而引雷的风险，尤其一些安装在塔顶、罐顶等突出位置的仪表更容易受到雷击。PT101A在现场侧和机柜室侧均有安装电涌防护器，但机柜室的电涌防护器出现雷击现象，经仔细检查发现电涌防护器所在的汇流导轨接到保护接地汇流排的连接导线接触不良。外排污水在线站房是简易活动板房，旁边就是芝港河，在靠山或临水的地区，临水一面的低洼潮湿地点较易受雷击，再加上在线站房属于空旷地带的孤立建筑物，处在附近的仪表被雷击中三次。

(2)雷电电磁干扰电缆桥架和DCS输入模块

001机柜室进线电缆桥架采用复合环氧树脂电缆桥架 （内衬钢板），每段桥架两端都有接地螺栓，螺栓之间通过4mm2铜导线进行跨接连接。从001机柜室屋顶观察进线电缆桥架，发现电缆桥架盖板有部分缺失或未完全盖好。当有雷雨天气时，由于带电积云的静电感应作用，使桥架和电缆均带上异种电荷，当带电积云与其它客体放电后，带电积云迅速消失，桥架和电缆的静电感应电荷通过桥架接地和电缆屏蔽接地进行泄放。在直击雷的放电过程中，强大的冲击电流也可能对桥架或桥架中的电缆产生雷电电磁感应，发生闪击现象。因此，如果电缆桥架盖板缺失或没有盖好，雷电产生的电磁脉冲（LEMP）干扰极易侵入电缆，从而进入DCS控制系统[3]。

在和利时集散控制系统中，输入输出模块通过DB25预制电缆连接上对应端子模块就构成输入输出（I/O）单元。数字量输入（DI）模块SM610和数字量输出（DO）模块SM711的每个通道都带继电器隔离，模拟量输入（AI）模块SM480有模数转换芯片，模拟量输出（AO）模块SM522有数模转换芯片，这两种芯片都容易受到雷电干扰的影响，尤其是数模转换芯片。我公司AO模块均配套安装了AO隔离栅，而AI模块有些是没有隔离栅的，因此当出现雷电干扰时反而是AI模块比AO模块更容易出现故障。

4.DCS控制系统防雷措施

001机柜室是按照第三类防雷建筑物进行设计的，防雷接地与仪表DCS接地共用一套接地系统，然后接入全厂接地网。机柜室内的所有金属结构、管道、支吊架、防静电地板等进行了等电位连接，室内沿墙设置了环形接地排，DCS机柜是钢板材料的全封闭机柜，仪表信号电缆屏蔽层在机柜侧进行单端接地。

(1)对001机柜室室外敷设的市电供电线路采取两级浪涌保护

对于从003变电所到001机柜室室外敷设的电力电缆，首先在001机柜室室内的电气配电柜安装一个I级实验的电涌保护器作为第一级防护，其电压保护水平和每一种保护模式的冲击电流值应满足规范要求；之后在仪表DCS市电配电柜安装一个Ⅱ级实验或者Ⅲ级实验电涌保护器作为第二级防护。这样就可以通过两级防护的方法，将雷击浪涌逐步泄放到大地，以保护DCS的供电系统。浪涌保护器的主要作用是限制冲击过电压和泄放浪涌电流，一般是与被保护的设备并联在一起。在没有过电压时，它们的阻抗都非常高，一般是兆欧级别，几乎相当于断路。当出现过电压时，阻抗迅速下降到几欧，浪涌电流就会通过浪涌保护器流入大地，而不会进入仪表设备[4]。这时由于浪涌保护器此时的阻抗很小，它的两端电压也比较小，由于它和被保护的设备并联，也就能防止设备承受较大的浪涌电压。当浪涌电压衰减时，浪涌保护器自动恢复到正常状态。

(2)仪表电缆桥架盖板要补齐盖好

由于公司技改技措项目比较多，电缆桥架的盖板被反复拆盖，施工人员漏盖桥架盖板的情况时有发生，对口管理部门要加强对属地电缆桥架的管理，责任落实到人，防止因施工不善导致电缆桥架的损坏。现阶段要将所有盖板补齐盖好，确保盖板之间无缝隙。虽然桥架在起始端和终点端进行了可靠接地，但从003变电所到001机柜室电缆桥架有五百多米，应每隔20m到30m增加一个接地连接点。另外支吊架应与电缆桥架进行可靠连接并接地，可与已有接地电缆桥架进行跨接连接，如用铜芯软导线或镀锡铜编织线进行跨接连接，或不少于两处用爪型螺母与电缆桥架进行连接固定[5]。

(3)信号线路增加电涌防护器

安装在塔顶、罐顶、管廊顶等突出位置的仪表很容易成为接闪物体，要根据现场情况首先考虑移位，若无法移位则应将仪表装在全封闭钢板材质的仪表保护箱内，并应将信号电缆全程穿钢管敷设，箱体应就近与电气接地设施连接或与接地的金属体相连接。可利用仪表保护钢管、金属支架、金属护栏、金属槽体、金属结构等可靠导电的物体作为接地连接中的某段导体。

对于外排污水在线站房由于处于空旷地带的临水位置，要采取防直击雷的措施，可参照第三类防雷建筑物的规定进行改造。雷击实验已经证明电涌保护器是防范仪表被雷击的最有效方式，能够减少仪表备品备件的损耗量，给公司带来直接的经济效益。对于附近的现场仪表设备安装装配式电涌保护器，最好是线-线保护型电涌保护器，同时在001机柜室DCS机柜侧也要增加电涌保器。仪表电涌保护器接地方法如图1所示，所有接在被保护设备电路上的电涌防护器都应采用尽可能短的导线（＜500mm）接在防雷工程的接地排上。因为导线长度越长，根据电阻和电感的计算公式，电阻值和电感值就会变大；若导线截面积增大，电阻虽然会变小，但电感变小的幅度会更小，当电流流经电阻和电感时，电感两端的电压会更大[6]。因此，防雷接地的导线越短越好，并且不能用增大导线的截面积弥补。电涌保护器的接地汇流导轨与保护接地汇流排之间的连线应采用两根并行连接，保证连接可靠，仪表维护人员要定期检查连接导线是否牢固，以免使电涌保护器在DCS系统中失去作用。

图1 电涌保护器的接地基本原理图

5.结束语

化工装置DCS系统在2017年和2019年受到了雷电影响， 2020年大检修时对现场仪表和DCS控制系统按照上述防雷措施进行改造，改造后的仪表DCS系统经受住了雷雨季节的考验，为公司化工装置安全、稳定、长期、满负荷、优质运行提坚实保障。仪表防雷工程是个系统工程，需要电气、建筑、仪表等多专业的共同配合，不断探索和完善仪表DCS系统防雷措施。