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控制系統防雷淺談

文檔作者：劉沙文檔來源：中國石油化工股份有限公司		點擊數：	更新時間： 2021年11月04日
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過程控制實施技術 石 油 化 工 自 動 化，2008，3：81
AUT0M AT10N IN PETRO—CHEMICAL INDUSTRY
控制系統防雷淺談
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：分析了控制系統的常見雷擊原因和防護措施，介紹了安慶石化丙烯腈部TS3000控制系統防雷工程改造情況，總
結出通過合理選用浪涌保護器和采取等電位連接、電磁屏蔽、共用接地系統的方式組成的內部防雷裝置可有效防止和減少雷電
對控制系統造成的危害。
關鍵詞：控制系統；防雷；過電壓
中圖分類號：TP273 文獻標識碼：B 文章編號：1007—7324(2008)03—0081—03
1 引 言
隨著技術的進步，以電子設備為主體的控制系
統得到了廣泛應用。但同時由于雷擊影響，控制系
統因此損壞或工作異常的情況時有發生。由于石油
化工行業的特點，這種情況一旦發生，就會給生產造
成巨大損失。因此，控制系統的防雷工作非常重要。
石化行業控制系統主要有以下特點。
a)絕緣耐壓能力遠低于普通電力設備，電力
系統普遍使用的避雷設施(避雷器、過電壓保護器)
動作后的殘壓水平往往仍高于控制系統的允許值，
故對控制系統不能起到很好的保護作用。
b)系統信號輸入均為弱電信號，抗瞬態電磁
脈沖(瞬態浪涌)影響的能力較差，一旦發生瞬態電
磁脈沖侵入系統的情況，系統易發生異常情況。
c)由于雷電作用時間短(ns)，遠小于控制系
統的自檢周期(大于100 ms)，故控制系統因受雷
電影響而工作異常時，相關記錄有可能不夠完善。
2 控制系統常見雷擊原因分析
一般情況下，控制系統與外界的聯系可分為3
種(如圖1所示)。電源線、信號線及設備地線，因
而，無論浪涌過電壓產生的形式如何，最終會通過
這3個途徑中一種或幾種對設備放電，造成設備損
壞。因此對于任何一個需要保護的空間內的設備，
只要截斷空間外界浪涌過電壓的進入途徑，即可達
到防護的要求。
圖1中，控制設備與外界聯系的帶電金屬線纜
是引雷途徑，包括：電源線、控制通訊線以及設備的
地線。因此，控制系統設備因雷擊損壞，其原因可歸
納為兩點：線路傳導浪涌過電壓及地電位反擊。
2．1 線路傳導過電壓的形式
a)遠點雷電的侵入。對于存在架空線路的系
統危害最為嚴重。處于控制室內部的控制系統由于
控制室的保護，室內和建筑物近旁不可能遭受直接
雷擊，但若控制系統的電力線、控制信號線為架空引
入，則在建筑物遠處可能遭受直接雷擊，沿線路傳導
的雷電過電壓就會侵入設備內部，造成設備損壞。
b)近點雷電磁場感應。當建筑物遭受雷擊或
在建筑物近旁發生雷擊時，強大的脈沖電流會在周
圍空間產生交變磁場(雷電中心1．5～2 km 的范
圍內都可產生危險的過電壓)，處于磁場中的導體
因此而感應出高電壓，沿線路產生的過電壓竄入設
備，造成設備損壞。
c)電感、電容性負載的啟動。即通常所說的
開關操作過電壓。電壓在極短的時間內發生瞬變，
電壓時間特性曲線的陡度(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
備，造成設備損壞。
圖1 控制系統與外界的聯系方式
2．2 地電位反擊
根據文獻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年畢業于
浙江大學工業自動化專業，現工作于中石化股份有限公司安慶分
公司機動部，任設備管理工程師。
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石油化工自動化
建筑物的各種外來導電物、電力線、通信控制線的
設備”。可以看出當建筑物遭受雷擊時，約有50
的雷電流通過建筑物地網泄人大地，另外約有50
的雷電流通過與等電位帶相連接的接地導線進入設
備。因此當雷擊發生時，地網電位被抬升，與匯流排
相連的設備外殼電位也隨之升高，設備的電力、通信
控制線的低電位與機架或地線之間的高電位存在高
電位差而發生反擊放電，從而使電子設備損壞。
3 控制系統應采取的防護措施
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六種方法，形成
一個多層次的完整的防護體系[2]。
3．1 線路傳導過電壓的防護
根據傳導過電壓形成的3種方式及其傳播途
徑，對于控制設備的防雷保護可從以下幾個方面進
行考慮。
a)電源線路過電壓防護。根據IEC防雷分區
原理及石油石化行業中控室的特殊性，其供電線路
過電壓的防護可采用3級防雷保護來實現。第1級
電源防雷器一般采用通過工級分類測試實驗的電涌
保護器(SPD)；第2級可采用限壓型SPD，其核心原
器件為壓敏電阻，該電阻具有通流量較大(國內外壓
敏電阻的最大通流量為40 kA)、低殘壓的特點。
b)控制信號線路過電壓防護。為達到對設備
的有效保護，依據IEC防雷分區原理：信號部分也
可采用多級保護方式將雷電流幅值降到設備承受
能力范圍內。在LPZ0n(直擊雷非防護區)、LPZ0
(直擊雷防護區)與LPZ (第一防護區)的交界處進
行粗級防雷保護；在LPZ 與LPZ。(第2防護區)
的交界處，采用精細保護防雷器。
c)屏蔽。通過屏蔽，盡量將控制室形成一個
法拉第籠，可有效防止或減少雷電磁場感應。
3．2 地電位反擊的防護
對控制系統設備所在建筑物的主要金屬構件和
進入建筑物的金屬管道，供電線路(含外露可導電部
分)，防雷裝置，以及控制系統等實行等電位連接。
實行等電位連接的連接體：金屬連接導體；無
法直接連接時而做瞬態等電位連接的SPD。
4 安慶石化丙烯腈部TS3000控制系統防雷工程
改造情況
安慶地區屬于多雷區，年雷暴日為44．3 d。在
2006—06—23T14：23和2006～08—24T17：28，丙
烯腈C一101空壓機就兩次因TS3000系統受雷電
影響工作異常而跳閘。
該空壓機2次跳車的情況一樣，是該區域當時
受到強雷電影響，雷電產生的瞬態電磁脈沖(瞬態浪
涌)侵入了TS3000系統，造成系統工作瞬間異常，引
起聯鎖動作，機組跳車。事發時，控制系統交直流電
源供電電壓正常，未發現供電空氣開關跳閘、保險絲
熔斷的情況；現場儀表工作正常，TS3000系統各卡
件工作運行狀態指示正常，無報警指示。儀表未作
處理，直接重新開車，啟動運行正常。
事情發生后，技術人員高度重視暴露出的儀表控
制系統的防雷問題，對事發現場進行了仔細分析。
該空壓制冷系統所在建筑物地處整個廠區最北
邊，僅西北邊有較高的生產裝置等構筑物遮擋，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
物四周為開放式結構，對雷電電磁波侵入的屏蔽能
力較差。在建筑物南北兩邊設置有均勻分布的8處
接地引下線，經檢查測量接地良好。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備
保護接地和信號專用接地的距離較近，在直擊雷雷
電流泄放時易對附近的控制電纜產生雷電感應。
控制室控制柜設置有獨立的設備保護接地和信
號專用接地，間隔不到20 m，未進行瞬態等電位連
接處理，且與建筑物直擊雷防護避雷帶引下線接地
距離較近，在發生強雷擊時容易產生地電位反擊，造
成設備的誤動甚至損壞。TS3000系統機房控制室
天面設置有避雷帶，接地引下線完好，但控制室內的
門窗未有效接地。控制室內控制系統的電源及控制
信號的出入電纜未設置雷電浪涌防護措施。
由以上分析可知，該控制系統的防直擊雷措施
較為完善，但對線路傳導浪涌過電壓及地電位反擊
的防范措施不足，存在較大的感應雷擊隱患。
根據以上情況，筆者有針對性地對該控制系統
進行了防雷工程改造，主要措施如下。
對控制室電源系統采用三級防雷保護[4]：在
控制室UPS電源總進線空氣開關后端，采用1套
Phoenix公司生產的具有自解耦功能的防雷器，進
行B，C兩級防雷保護；在220 V AC交流母線分配
回路(共15路)上，采用限壓型防雷器，與前級防雷
器配合，進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。
對控制信號進行全面防護：針對模擬量信號、
數字量(開關量)信號、脈沖信號選用不同類型防雷
器進行防雷防護。
室內等電位連接：由于控制系統工作地獨立，
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第3期 劉沙．控制系統防雷淺談 83
采用地電位保護器來實現正常工作狀態下兩種保
護地的隔離，雷電過電壓產生時瞬態導通，實現瞬
態等電位連接。在防靜電地板下采用30 mm×
3 mm銅排沿控制柜方向敷設環型接地等電位帶，
將設備的保護工作接地、室內的靜電地板金屬龍
骨，金屬門窗、金屬走線架、電力電纜屏蔽層等金屬
構件采用16 mm。BVR銅纜壓接接地處理。對于
安裝在機柜內的電子設備，將固定在機柜底部的匯
流排(PG與sG)作為各自的公共接地參考點。信
號(sG)匯流排通過地電位保護器連接在中控室的
總接地排上。
防雷工程改造實施后取得了良好效果，提高了
該控制系統防雷電干擾的能力。
5 結束語
由于歷史原因，以往石化行業相對重視對直
擊雷的防護，而對感應雷的危害性重視不夠。20
世紀90年代以來，電子化、信息化控制系統在石
化企業得到大量使用，工藝生產對控制系統的依
賴度越來越大。由于種種原因，這些系統往往存
在較大的感應雷擊隱患，應該通過針對性的防雷
工程改造以有效地提高控制系統在雷雨氣候下
的工作可靠性。
參考文獻：
1 GB50057—94(2000年版)，建筑物防雷設計規范
2 IEC1312，雷電電磁脈沖的防護
3 GB50343—2004，建筑物電子信息系統防雷技術規范
4 GA267—2000，計算機信息系統雷電電磁脈沖安全防護規范
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