雷電是一種自然放電現(xiàn)象，它具有極大的破壞力，對人類的生命、財產(chǎn)安全造成巨大的危害。尤其是基于大規(guī)模微電子器件的熱控儀表與分散控制系統(tǒng)（DCS），耐壓低，對電磁脈沖特別敏感。伴隨著雷電產(chǎn)生的雷電電磁脈沖，以電磁感應(yīng)作用和電流波形式，引起的各種過電壓可達數(shù)百乃至數(shù)千、數(shù)萬伏，使儀表與控制系統(tǒng)遭受雷擊干擾和損害的可能性日趨增多。近年來安徽省內(nèi)電廠幾次雷擊導(dǎo)致熱控保護誤動機組跳閘的事故，使電廠造成了很大的經(jīng)濟損失。

1  兩起DCS遭雷擊事故案例

1.1  某電廠#2機組因雷擊導(dǎo)致#2機組跳閘

    2004年8月4日，某電廠#1機組（300MW）于0:59分A引風(fēng)機跳閘，引發(fā)輔機故障減負荷功能（RB）動作，機組負荷迫降；#2機組于1:02分因“爐膛壓力高”鍋爐MFT動作，造成機組跳閘。經(jīng)分析確定，此次事故原因是由于8月4日1時左右，煙囪周圍區(qū)域有較強雷電活動，且雷電流較大（通過雷電定位系統(tǒng)測定雷擊發(fā)生時最大一次為197kA），如此強大雷電流在通過煙囪引入大地時，會產(chǎn)生極大的感應(yīng)電勢，對1A、1B、2A、2B引風(fēng)機處的熱控弱電系統(tǒng)造成干擾，導(dǎo)致1A、1B、2A、2B引風(fēng)機風(fēng)機軸承溫度元件、電機軸承溫度元件、入口靜葉執(zhí)行器反饋板損壞，包括這些信號所對應(yīng)的DCS輸入卡件也有不同程度的損壞，繼而導(dǎo)致引風(fēng)機跳閘和機組跳閘。按照設(shè)計要求熱控信號電纜必須單端接地，此種接地方式對于低頻信號干擾有較好的屏蔽作用，但對雷電這樣的高頻信號干擾屏蔽作用不大。尤其是此次雷電襲擊強度較大，現(xiàn)有的接地防范措施難以抵御。

1.2  某電廠#7機組電氣油開關(guān)信號誤發(fā)鍋爐MFT

    2005年6月18日23時，某電廠＃7機組負荷180MW，AGC、一次調(diào)頻投運正常，三套制粉系統(tǒng)運行，16臺給粉機投運。天氣雷雨交加。23:15:19秒MFT動作信號發(fā)出，1秒后甲給粉總電源跳閘，按熄火處理。

    通過查詢歷史曲線及操作記錄：使MFT動作的原因，是電氣油開關(guān)信號（BDI043）在23:15:17秒出現(xiàn)一個2秒的脈沖，通過2秒延時，直接造成MFT動作（電氣油開關(guān)跳閘是MFT動作條件之一）。首出原因顯示電氣主開關(guān)跳閘。經(jīng)電氣檢查，2707開關(guān)提供給DCS用的輔助接點是A、B、C三相常閉接點串聯(lián)，只有開關(guān)三相全部斷開，“油開關(guān)跳閘”信號才能發(fā)出，實際沒有出現(xiàn)，且無異常現(xiàn)象。由于該信號電纜長（達600～700米），存在耦合電容作用，恰好23:15分有強雷電發(fā)生，產(chǎn)生感應(yīng)，是信號誤發(fā)的原因（同一DI卡件的其它信號均正常）。

2  雷電侵入儀控系統(tǒng)的途徑

    雷電對火電廠儀表控制系統(tǒng)的危害主要是通過直擊雷和雷電電磁脈沖干擾（也稱雷電波）兩種形式。主要是通過以下的幾種耦合途徑給儀控系統(tǒng)帶來危害的：

    (1)  直擊雷造成的地電位浮動而導(dǎo)致的雷電反擊。控制系統(tǒng)建筑物的防直擊雷裝置在接閃時，強大的瞬間雷電流通過引下線流入接地裝置，會使局部的地電位浮動并產(chǎn)生跨步電壓，如果防雷的接地裝置是獨立的，它和控制系統(tǒng)的接地體沒有足夠的絕緣距離的話，則它們之間會產(chǎn)生放電，這種現(xiàn)象稱為雷電反擊，它會對控制室內(nèi)的DCS系統(tǒng)產(chǎn)生干擾乃至破壞。

    (2)  當(dāng)控制系統(tǒng)建筑物的防直擊雷裝置接閃時，在引下線內(nèi)會通過強大的瞬間雷電流，如果在引下線周圍的一定距離內(nèi)設(shè)有連接DCS系統(tǒng)的電纜（包括電源、通信以及I/O電纜），則引下線內(nèi)的雷電流會對DCS的電纜產(chǎn)生電磁輻射，將雷電波（高電位）引入DCS系統(tǒng)，干擾或損壞DCS系統(tǒng)；

    (3)  當(dāng)控制系統(tǒng)周圍發(fā)生雷擊放電時，空間輻射的電磁場會在各種金屬管道、電纜線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓（包括電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)），從而使儀控系統(tǒng)失效或損壞。

3  儀表及DCS系統(tǒng)防雷的主要措施

    今后幾年將是火電機組新建和投產(chǎn)的高峰期，如果能在熱控工程的設(shè)計階段就予以考慮儀表及DCS的防雷措施，是提高火電廠儀控系統(tǒng)抗雷擊能力的有效方法。應(yīng)對以下幾點給予充分的考慮：

(1)  接地

    DCS應(yīng)用中最不清楚但又必須解決的問題就是接地問題。不僅很多用戶不清楚，甚至有的DCS廠家也未必很清楚。目前火電廠熱工儀表控制系統(tǒng)的接地主要有兩種措施：浮地、多點接地。

?  浮地是指儀表的工作地與建筑物的接地系統(tǒng)保持絕緣，這樣建筑物接地系統(tǒng)中的電磁干擾就不會傳導(dǎo)到儀表系統(tǒng)中，地電位的變化對儀表系統(tǒng)也無影響。但由于儀表的外殼要進行保護接地，當(dāng)雷電較強時，儀表外殼與其內(nèi)部電子電路之間可能出現(xiàn)很高的電壓，將兩者之間絕緣間隙擊穿，造成電子線路損壞。

?  多點接地是指DCS、儀表（變送器、執(zhí)行器等）、PLC 等設(shè)備的工作接地與保護接地分開，這種接地方式的突出優(yōu)點是可以就近接地，接地線的寄生電感小。但是如果較強的雷電波通過保護地進入系統(tǒng)，電子電路同樣會因承受高壓而損壞。

    因此上述兩種接地方式都不能滿足防雷的需要。因此，應(yīng)考慮將保護地與工作地相連接，即對DCS系統(tǒng)以及和它相連的變送器、執(zhí)行器等必須采用等電位接地，DCS系統(tǒng)應(yīng)和公用接地系統(tǒng)實現(xiàn)單點接地。這樣DCS系統(tǒng)和防雷系統(tǒng)的接地系統(tǒng)進行等電位聯(lián)接后接入防雷接地系統(tǒng)，即使受到雷電反擊，但由于它們之間不存在電位差，所以不可能通過雷電反擊構(gòu)成對電子元件的威脅。等電位聯(lián)接是DCS系統(tǒng)免遭雷擊的重要措施。如果DCS系統(tǒng)無法和防雷系統(tǒng)的接地系統(tǒng)進行等電位聯(lián)接時，根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》（JGJ/T 16-92）[1]的規(guī)定，兩接地系統(tǒng)的距離不宜小于20米。在進行工程設(shè)計時，當(dāng)有電纜靠近引下線敷設(shè)時，必須考慮電纜和引下線間保持2米以上的距離?！督ㄖ镫娮有畔⑾到y(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》[2]對此規(guī)定了該距離的計算公式。火電廠熱工儀表控制系統(tǒng)的接地系統(tǒng)可參照圖1設(shè)計。

    當(dāng)電纜屏蔽層采用一點接地時，其接地點應(yīng)根據(jù)信號源和接收端是否接地來確定；選擇兩點接地時，應(yīng)考慮在暫態(tài)電流作用下電纜屏蔽層不致被燒熔。

    從防雷的角度來看，走線槽應(yīng)選擇金屬材質(zhì)，而不應(yīng)選用環(huán)氧樹脂；另外對外部的電纜，如I/O電纜、電源電纜、通信電纜在室外的敷設(shè)段應(yīng)盡量采用埋地方式，以形成線路
屏蔽，減少雷擊可能。

    (3)  DCS的電源系統(tǒng)要采用TN-S系統(tǒng)的接地方式，以保證控制系統(tǒng)的金屬外殼（如機柜）在正常運行時不帶電位。

    TN-S系統(tǒng)有五根線，即三根相線A、B、C、一根中性線N及一根保護線PE，僅電力系統(tǒng)一點接地，用電設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分按到PE線上。TN-S系統(tǒng)的特點是，中性線N與保護接地線PE除在變壓器中性點共同接地外，兩線不再有任何的電氣連接。中性線N是帶電的，而PE線不帶電。該接地系統(tǒng)完全具備安全和可靠的基準電位。其優(yōu)點是PE線上在正常工作時不呈現(xiàn)電流，因此設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分也不呈現(xiàn)對地電壓，有較強的電磁適應(yīng)性。

    (4)  在進行電纜走線橋架和控制柜位置設(shè)計時要盡量避免靠近建筑物防直接雷裝置的引下線，控制柜和操作站也要和窗戶、門口保持一定的距離。

(5)  按實用性、發(fā)生雷擊事故的可能性和后果，在必要的地方合理配置浪涌吸收器（SPD）。SPD是一種限制瞬態(tài)過電壓和分走電涌電流的器件，它在最短時間內(nèi)將線路上因感應(yīng)雷產(chǎn)生的浪涌電流釋放到地網(wǎng)，使建筑物內(nèi)各點之間電位差大致不變，從而保護設(shè)備。

(6)  DCS選型時，必須要考慮它的電磁兼容性（EMC）指標，特別是浪涌抗擾度和脈沖磁場抗擾度。

    此外，要認真按照電力行業(yè)和其它行業(yè)有關(guān)規(guī)程標準要求，做好接地系統(tǒng)的定期維護保養(yǎng)工作，特別是在每年雷電到來前應(yīng)做好:

?  對全廠接地網(wǎng)的完好程度、接地電阻大小等進行檢測，如DCS系統(tǒng)等電位連接、屏蔽的情況，確認DCS系統(tǒng)接地、屏蔽狀況符合設(shè)計要求，煙囪接地與主網(wǎng)接地的地下部分距離是否符合設(shè)計要求等。對投產(chǎn)多年的電廠，有必要開展接地網(wǎng)壽命周期、DCS雷擊損害的風(fēng)險評估等工作，發(fā)現(xiàn)問題及時整改。

    ?  認真檢查露天安裝控制設(shè)備（變送器、執(zhí)行器、液位計、壓力開關(guān)等）殼體、屏蔽電纜、走線槽等接地狀況，嚴防接地線纜松動、虛接、脫落、接地電阻過大等異常情況的發(fā)生。

    ?  完善保護控制邏輯，盡量減少保護誤動的可能性。如某電廠#7機組因DCS和DEH采用的信號取自2707開關(guān)非同一副接點，DEH未受到干擾，而DCS受到干擾發(fā)生了MFT，故可以從DEH引入另一路油開關(guān)信號，兩路進行與邏輯運算后再進入MFT；電氣油開關(guān)跳MFT的邏輯中延時模塊由2秒改為3秒。

4  結(jié)語

    為了防止或減少因雷擊導(dǎo)致現(xiàn)場儀表及DCS系統(tǒng)的故障和損壞，確保DCS及機組的可靠穩(wěn)定運行，在遵守有關(guān)國家及行業(yè)標準的基礎(chǔ)上，要對整個儀控系統(tǒng)根據(jù)等電位連接的原則加以設(shè)計，從控制室、DCS I/O模件、現(xiàn)場儀表、儀表信號電纜和電源線等多方面綜合考慮，采用接閃、均壓、接地、屏蔽等多種措施，同時需要電氣、建筑、熱控等專業(yè)協(xié)同合作來實現(xiàn)。除了考慮系統(tǒng)安全性以外，還要考慮投資的成本、運行的經(jīng)濟性，做到安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理。

參考文獻:

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