曲阜中聯水泥總控室及分控站防雷系統設計

孫　龍

[摘要]依據我國國家標準、國際電工委員會標準和相關行業標準規范,結合曲阜中聯水泥總控室及分控站防雷工程實際,分析雷電侵害工業自動控制系統(DCS)的幾種途徑,對總控室及分控站綜合防雷措施作詳細介紹,并對其接地系統和等電位連接作闡述,從而提出防雷系統設計。

[關鍵詞]DCS防雷工業自動控制接地系統等電位連接

中圖分類號:TM92文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0920018-01

由于DCS大量采用VLSI COMS集成電路和CPU,普遍存在著絕緣強度低,抗過電壓、過電流及電磁脈沖能力差等致命弱點,同時各現場傳感器安裝在工廠的各個環境之中,使DCS遭受雷擊的概率增大。

一、DCS雷電防護原理分析

(一)防雷系統設計理論依據

國際電工委員會IEC/TC-81有關防雷設計標準、我國現行的國家防雷標準規范及在國際電工委員會防雷技術精華的基礎上制訂的各項防雷技術標準規范,對我們的實際工作具有重要的指導意義。這些標準規范中都重點提出了防雷系統中的兩個核心理論:防雷分區和等電位連接。

(二)防雷系統設計應采取的基本防雷措施

1.外部直擊雷防護采用避雷針、避雷帶、避雷網等作為接閃器,通過引下線將雷電流泄放至接地裝置,確保建筑物免受直擊雷的侵襲。

2.內部感應雷防護是為保護建筑物內部的設備以及人員的安全而設置的,是從整體上建立起三維的防護體系,主要包括加裝電涌保護器(SPD)、屏蔽、等電位連接等措施。

二、曲阜中聯水泥DCS防雷系統設計

(一)DCS防雷現狀分析。總控室位于變電站二樓,所在建筑物為框架結構,長約30m,寬20m,高16m,已安裝避雷網作為防直擊雷措施。屋面衛星天線在避雷網保護范圍之內。

5個分控站所在建筑物情況與總控室基本一致,供電、網絡、通訊等系統均未做防雷保護。

(二)DCS建筑物防雷分類及雷電防護等級。

1.總控室及分控站建筑物防雷分類確定。根據國家標準《建筑物防雷設計規范》GB50057-94(2000年版)附錄一中建筑物年預計雷擊次數的計算公式N1=kNgAe,計算如下:

K=1,總控室及分控站所處的地理環境無特殊性,k值取1。

Ng=0.024Td1.3=0.024×(29.1)1.3=1.92(次/km2·年),曲阜地區的年平均雷暴日Td=29.1天。

Ae=[LW+2(L+W)·+πH(200-H)]·10-6=0.015km2

N1=kNgAe=1×1.92×0.015=0.0288(次/年)

根據國家標準《建筑物防雷設計規范》GB50057-94(2000年版)第二章第2.0.4條之規定,確定總控室及分控站建筑物為第三類防雷建筑物。

2.總控室及分控站電子信息系統雷電防護等級確定。根據國家標準《建筑物電子信息系統防雷技術規范》GB50343-2004附錄A的要求,計算總控室及分控站電子信息系統雷電防護等級:

N2=Ng·A'e=(0.024Td1.3)·(A'e1+A'e2)=0.1536(次/年)

N=N1+N2=0.0288+0.1536=0.1824

Nc=5.8×10-1.5/C=5.8×10-1.5/(1.0+3.0+3.0+1.0+2.0+1.0)=0.017(次/年)

根據國家標準《建筑物電子信息系統防雷技術規范》GB50343-2004第四章第4.2節第4.2.3條的規定,N=0.1824>Nc=0.017,確定總控室及分控站電子信息系統應安裝雷電防護裝置。

根據國家標準《建筑物電子信息系統防雷技術規范》GB50343-2004第四章第4.2節第4.2.3條的規定E=1-Nc/N=1-0.017/0.1824=0.91,0.90

確定總控室及分控站信息系統雷電防護等級為B級。

(三)總控室及分控站電源系統雷擊電磁脈沖防護措施。總控室位于變電站的二樓,所在建筑物供電系統采用架空電纜從室外引入兩路6KV高壓電分別進入一樓配電室的1#及2#變壓器,經過6kV/0.38kV變壓及配電輸出后,向總控室及五個分控站供電,接地制式為TNC-S系統。一樓配電室輸出4路電源至交流電源屏、總控室空調照明配電箱、DCS柜UPS、同期柜,接地制式為TNC-S系統,電力電纜總進線穿越了LPZ0區與LPZ1區的界面,應在總配電室2個低壓進線柜內、5個分空站的進線柜內各加裝一套標稱放電電流為120KA的SPD,以此對總控室及分控站電源系統進行第一級保護。考慮老化或壽命終止后可能產生的過電流或接地故障對電源系統設備運行的影響,因此在SPD的電源側安裝過流保護裝置,此處選用125A熔斷器。

一樓配電室輸出4路電源至交流電源屏、總控室空調照明配電箱、DCS柜UPS、同期柜,接地制式為TNC-S,在這4路電源的分路空開后各加裝一套標稱放電電流為80KA的SPD,以此對總控室電源系統進行第二級保護。

總控室內的電子設備耐沖擊電壓都比較低,一般在1.5KV以下,為進一步降低殘壓,在總控室的DCS柜UPS前端、交流電源屏內、總控室空調照明配電箱內各加裝一套標稱放電電流為40kA的SPD,在4臺計算機電源插座處各加裝一套插座式SPD。

(四)總控室計算機網絡系統雷擊電磁脈沖防護措施。總控室網絡柜內設有1臺16口核心交換機,核心交換機上連接了4臺計算機終端,傳輸速率為百兆,以上計算機網絡系統中均未加裝SPD做防雷保護。

網絡系統進線穿越了LPZ0區與LPZ1區的界面,因為總控室電子信息系統雷電防護等級為B級,應在核心交換機端口前端加裝1臺16口百兆交換機SPD,在4臺計算機網卡前端加裝4臺百兆網絡SPD。

(五)總控室電話系統雷擊電磁脈沖防護措施。總控室采用架空電纜引入2對電話線至室內標準電話配線架,穿越了LPZ0區與LPZ1區的界面,無電磁脈沖防護措施,必須通過響應時間為納秒(ns)級、標稱放電電流大于或等于0.5KA的SPD進行等電位連接,并應滿足線路傳輸速率及帶寬要求。

(六)總控室天饋線系統雷擊電磁脈沖防護措施。衛星信號接收機的天饋線在室外穿鋼管進入室內,天饋線接口為BNC頭,首先應將天饋線穿管的兩端直接連接到避雷網上,其次應在天饋線于LPZ0區與LPZ1區的界面上即衛星信號接收機前端加裝合適的SPD,SPD的工作頻率、平均輸出功率、接口形式及特性阻抗等都必須與系統相匹配。

(七)總控室及5個分控站通訊總線雷擊電磁脈沖防護措施。總控室DCS柜內采用5根電纜與5個分控站進行通訊。通訊電纜進線穿越了LPZ0區與LPZ1區的界面,必須安裝響應時間為納秒(ns)級、標稱放電電流大于或等于0.5KA,的SPD,并滿足線路傳輸速率及帶寬要求。

三、綜述

隨著社會生產力的飛速發展,人們對生產過程自動化程度的要求越來越高,計算機控制系統(DCS)在生產過程控制中的應用更加廣泛,其對于雷電流、雷擊電磁脈沖的耐受能力越來越低,它所設涉及的防雷項目是多方面的,必須從多方面考慮防雷保護措施。