DCS系統(tǒng)防雷技術(shù)探討

辛 龍，盧永慧

1.菱化高新聚合產(chǎn)品（寧波）有限公司，浙江 寧波 315812

2.中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315812

1 DCS系統(tǒng)防雷技術(shù)介紹

雷擊是一種自然現(xiàn)象，它的巨大能量眾所周知。DCS是分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System）的簡(jiǎn)稱(chēng)，國(guó)內(nèi)一般習(xí)慣稱(chēng)為集散控制系統(tǒng)。它是一個(gè)由過(guò)程控制級(jí)和過(guò)程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著電腦通信設(shè)備的大規(guī)模使用，雷電以及操作瞬間過(guò)電壓對(duì)DCS系統(tǒng)的危害越來(lái)越嚴(yán)重。以往的防護(hù)體系已不能滿(mǎn)足電腦通信網(wǎng)絡(luò)安全的要求。應(yīng)從單純一維防護(hù)（避雷針引雷入地=無(wú)源防護(hù)）轉(zhuǎn)為三維防護(hù)（有源和無(wú)源防護(hù)），包括：防直擊雷，防感應(yīng)雷電波侵入，防雷電電磁感應(yīng)，防地電位反擊以及操作瞬間過(guò)電壓影響等多方面作系統(tǒng)綜合考慮，因此總的防雷原則是：將絕大部分雷電流直接接閃引入地下泄散（外部保護(hù)）； 阻塞沿電源線或數(shù)據(jù)、信號(hào)線引入的過(guò)電壓波（內(nèi)部保護(hù)及過(guò)電壓保護(hù)）；限制被保護(hù)設(shè)備上浪涌過(guò)壓幅值（過(guò)電壓保護(hù)）。這三道防線，相互配合，各行其責(zé)，缺一不可。

2 雷電對(duì)DCS的危害

雷電電磁脈沖干擾對(duì)DcS控制系統(tǒng)的危害是：由強(qiáng)大的雷閃電流產(chǎn)生的脈沖電磁場(chǎng)，它對(duì)DCS系統(tǒng)的干擾有如下兩種形式：當(dāng)控制室建筑物的防直擊雷裝置接閃時(shí)，在引下線內(nèi)會(huì)通過(guò)強(qiáng)大的瞬間雷電流，如果在引下線周?chē)囊欢ň嚯x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(huì)對(duì)DCS的電纜產(chǎn)生電磁輻射，將雷電波引入DCS系統(tǒng)，干擾或損壞DCS系統(tǒng)；當(dāng)控制室周?chē)l(fā)生雷擊放電時(shí)，會(huì)在各種金屬管道、電纜線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。如果這些管道和線路引進(jìn)到控制室把過(guò)電壓傳到DCS系統(tǒng)上，就會(huì)對(duì)DCS系統(tǒng)產(chǎn)生干擾或損壞。此外，當(dāng)空中攜帶大量電荷的雷云從控制室上空經(jīng)過(guò)時(shí)，由于靜電感應(yīng)使地面某一范圍帶上異種電荷，當(dāng)直擊雷發(fā)生后，云層帶電迅速消失，而地面某些范圍由于散流電阻大，以至出現(xiàn)局部高電位，它會(huì)對(duì)周?chē)膶?dǎo)線或金屬物產(chǎn)生影響，這種靜電感應(yīng)電壓也會(huì)對(duì)DCS系統(tǒng)產(chǎn)生干擾或損壞。如防雷及接地措施不當(dāng)，雷擊發(fā)生時(shí)，由于雷電流迅速變化在其周?chē)臻g產(chǎn)生瞬變的強(qiáng)電磁場(chǎng)，使附近導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電動(dòng)勢(shì)，誘發(fā)強(qiáng)大的雷擊電磁脈沖，經(jīng)感性耦合、容性耦合或電磁輻射產(chǎn)生脈沖過(guò)電壓和過(guò)電流損壞DCS系統(tǒng)I/O單元、主控單元等硬件和通訊系統(tǒng)。

3 DCS系統(tǒng)雷擊案例分析

3.1 DCS系統(tǒng)雷擊案例

公司某裝置控制系統(tǒng)在雷擊中發(fā)生故障，許多數(shù)據(jù)無(wú)顯示，部分控制輸出不起作用，故障診斷中I/O卡件及部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡閃紅燈，控制柜內(nèi)卡件閃紅燈。經(jīng)排除更換了故障卡件后恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行，共損壞卡件42 塊，其中SP313卡21塊，SP233卡7塊，SP316卡9塊，SP322卡5塊。經(jīng)浙大中控專(zhuān)家檢測(cè)分析卡件故障原因主要是：強(qiáng)浪涌電壓（雷擊）信號(hào)接入，導(dǎo)致卡件上的各通道芯片被擊穿或燒壞造成無(wú)法正常工作，卡件上元器件特別是集成電路基本上全部損壞；強(qiáng)浪涌電壓（雷擊）干擾通過(guò)某部分通道接入卡件，導(dǎo)致相應(yīng)的通道故障。

系統(tǒng)也曾遭受過(guò)雷擊的損壞燒壞了4塊，8萬(wàn)t合成氨裝置也出現(xiàn)過(guò)雷擊時(shí)模入信號(hào)變化很大，通訊系統(tǒng)出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象。并且都導(dǎo)致過(guò)UPs電源跳到旁路或UPs輸出故障，導(dǎo)致裝置停車(chē)。

3.2 雷擊DCS系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)原因分析

1）強(qiáng)浪涌電壓（雷擊）通過(guò)I/O信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)損壞的卡件檢查，主要是I/O卡件的輸入輸出接口元器件損壞，當(dāng)雷電發(fā)生時(shí)，裝置上I/O電纜極易接收遭受雷電放電時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大的脈沖電磁場(chǎng)，在信號(hào)線上感應(yīng)數(shù)以千伏計(jì)的浪涌電壓，并通過(guò)卡件形成電流回路擊壞相應(yīng)的卡件通道或公共電路。

2）強(qiáng)浪涌電壓（雷擊）通過(guò)DCS控制系統(tǒng)的接地點(diǎn)進(jìn)入系統(tǒng)。當(dāng)雷電產(chǎn)生后，通過(guò)I/O電纜的走線橋架和建筑物接地引下線的電流產(chǎn)生的電感性耦合，會(huì)在附近的I/O金屬線纜上感應(yīng)出數(shù)以千伏的浪涌電壓。

3）強(qiáng)浪涌電壓（雷擊）通過(guò)電源線進(jìn)入U(xiǎn)PS系統(tǒng)

當(dāng)雷電發(fā)生時(shí)，暴露在空中的電力電纜極易受到雷擊影響，在其電纜上感應(yīng)形成數(shù)以千伏計(jì)的的浪涌電壓，通過(guò)電力系統(tǒng)損壞UPS（不間斷電源）系統(tǒng)設(shè)備。

4 DCS系統(tǒng)的防雷系統(tǒng)技術(shù)改造

針對(duì)公司DCS系統(tǒng)現(xiàn)狀，影響DCS系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的防雷系統(tǒng)主要因素有：1） DCS系統(tǒng)部份信號(hào)線外部I/0電纜敷設(shè)不規(guī)范；2）DCS系統(tǒng)接地電阻不斷增大易受雷電電磁脈沖干擾；3）DCS供電系統(tǒng)（UPS）受雷擊干擾導(dǎo)致輸出電壓故障

4.1 對(duì)外部信號(hào)線改造

對(duì)外部信號(hào)線的敷設(shè)進(jìn)行整改，將暴露在橋架外的信號(hào)線，穿金屬套管，且金屬套管每隔30米進(jìn)接地；保持外部I/O電纜走線槽之間的良好連接并接地，將電纜走線槽的蓋板之間用電焊將其焊接為一個(gè)整體橋架，并進(jìn)行接地。使整個(gè)橋架成為一個(gè)屏蔽金屬體，防止雷擊形成的強(qiáng)浪涌信號(hào)進(jìn)入控制系統(tǒng)。

4.2 重新改造防雷接地系統(tǒng)

1）DCS系統(tǒng)接地環(huán)境改善

首先改變接地體周?chē)耐寥澜Y(jié)構(gòu)。在接地體周?chē)耐寥?m～3m范圍內(nèi)，摻入不溶于水的、有良好吸水性的物質(zhì)，如木炭、焦碳煤渣或礦渣等，該法可使土壤電阻率降低到原來(lái)的1/5～1/10。

再用食鹽、木炭降低土壤電阻率，用食鹽、木炭分層夯實(shí)。木炭和細(xì)摻勻?yàn)橐粚樱s10cm～15cm厚，再鋪2m～3m的食鹽，共5～8層，鋪好后打入接地體，此法可以使得電阻率下降至原來(lái)的 1/3～1/5。

2）選用銅棒Φ20×2800mm接地樁作等邊三角形接地網(wǎng)

3）在UPS電源市電輸入端增加防浪涌保護(hù)器

浪涌保護(hù)器是一種限制瞬態(tài)過(guò)電壓和分走電涌電流的器件。按其在DCS中的用途可分為:I/O信號(hào)防雷器和通訊線路防雷器兩種。當(dāng)有連接電纜從室外或其他系統(tǒng)進(jìn)入控制室時(shí)，裝設(shè)SPD可以防護(hù)電子設(shè)備免遭雷電浪涌的閃擊。但是，如果所有的I/O通道都裝設(shè)SPD，成本將大幅度上升；再則，控制系統(tǒng)遭雷擊的概率畢竟很低，不能強(qiáng)調(diào)萬(wàn)無(wú)一失，否則從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā)就太浪費(fèi)了。因此在DCS系統(tǒng)里選用電源防雷器。

5 結(jié)論

DCS系統(tǒng)防雷系統(tǒng)改造后，其接地電阻均小于4歐姆，系統(tǒng)接地良好。經(jīng)過(guò)雷雨季節(jié)氣的檢驗(yàn)，改造后的系統(tǒng)通訊暢通，I/0信號(hào)穩(wěn)定，UPS電源輸出電壓穩(wěn)定。保證了化工生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。