一起工控系統雷擊事故的原因分析

楊統軍　蒲　艷

摘要 由一起工控系統雷擊事故著手,從雷電產生的原理分析事故的原因,采取必要的預防措施。

關鍵詞 雷擊事故;感應;雷災危害;預防措施

中圖分類號 X928文獻標識碼 A文章編號 1674-6708(2009)05-0060-02

0 引言

商電鋁業集團公司商丘鋁廠35kv變電站共有6臺整流機組,#1、#2、#3二極管整流機組供70KA系列電解鋁用,#4、#5、#6晶閘管整流機組供80KA系列電解鋁用。每臺電解槽有一臺槽控機對電解生產工藝智能控制,所有電解槽的技術參數通過槽控機傳輸到工控計算機上。根據生產需要,我們對電解槽的技術參數在工控計算機上進行調整,再由工控計算機將所給指令傳輸到每臺槽控機上。2006年8月28日中午,天降暴雨,12時19分35kv變電站正上空遭遇強雷電,瞬間,80KA系列工控計算機系統所有通訊中斷,相關人員迅速派檢修人員查找問題,發現工控計算機通訊板部分集成塊被擊爆,擴展槽大板燒壞,槽控箱部分大板、通訊聯絡板燒壞。

1雷電與雷擊事故

雷電是自然界雷云之間或雷云與大地之間的一種放電現象。空中的塵埃、冰晶等物質在云層中翻滾運動的時候,經過一些復雜過程,被分別帶上了正電荷與負電荷。經過運動,塵埃凝結大氣中水分形成質量較重的水滴會到達云層的下部(帶負電荷),質量較輕的冰晶物質會到達云層的上部(帶正電荷)。由于異性電荷的不斷積累,不同極性的云塊之間電場強度不斷增大,當某處的電場強度超過空氣可能承受的擊穿強度時,就形成了云間放電。不同極性的電荷通過一定的電離通道互相中和,產生強烈的光和熱,就形成“云間放電”(即閃電)。所發出的強光,稱之為“閃”,所發出的熱,使附近的空氣突然膨脹,發出霹靂的轟鳴,稱之為“雷”。

帶負電荷的云層向下靠近地面時,使附近地面積聚正電荷,從而使地面與雷云之間形成強大的電場。當某處積聚的電荷密度很大,造成電場強度超過雷云與地面之間空氣游離的臨界值時,雷云向下形成下行先導,地面的物體形成向上閃流,二者相遇即形成對地放電。雷云對地放電打到地面上的閃電即為“落雷”。如果落雷擊中人員、建筑物、機電設備和森林樹木而造成的危害,這種現象稱為“雷擊事故”。

雷電發生時可產生幾百千安的電流及幾百千伏的電壓,上萬度的高溫,猛烈的沖擊波,劇變的靜電場和強烈的電磁輻射等物理效應,給人類造成多種危害。雷電危害可分成直擊雷、雷電感應和雷電波侵入三種。

1)直擊雷

直擊雷是雷電直接擊中人、畜或建筑物產生熱的或機械的破壞,造成人、畜傷亡,建筑物劈裂和引起火災等危害事故。直接雷擊還會在無避雷設備或避雷設備裝置不完善時,發生危險的高電壓、跨步電壓(當雷電流經過接地裝置向地面流散時,接地裝置附近引起的電位分布不均勻,如有人、畜在這里走動,前后腳所受的電壓相差很大,兩腳之間的電壓差就叫做跨步電壓)、接觸電壓(人接觸到雷電流經過的地方,或接觸到因雷電流引起電感應的金屬物所受到的電壓)而可能引起人身傷亡。目前,人們防直擊雷的措施很多,比如在建筑物上安裝避雷針、避雷網、避雷帶,在高壓輸電線路上方安裝避雷線等,進而直擊雷造成的災害已明顯減少。

2)電感應

雷電感應是由于附近地區發生雷擊時,雷電流的強大電場和磁場變化產生的靜電感應和電磁感應造成的。雷電感應破壞也稱為二次破壞,由于雷電流變化梯度很大,會產生強大的交變磁場,使得周圍的金屬構件產生感應電流,這種電流可能向周圍物體放電,如附近有可燃物就會引發火災和爆炸,而感應到正在聯機的導線上就會對設備產生強烈的破壞性。

(1)靜電感應。當建筑物頂部或其它導體處于雷云與大地間所形成的電場中,建筑物頂部或導體上就會積聚與雷云下部電荷極性相反的大量電荷。雷云放電后,云與大地間的電場突然消失,建筑物頂部或導體上的電荷來不及立即流散,因而產生很高的對地電位,這個對地電位差稱為“靜電感應電壓”。當雷云與放電體間的電場強度超過兩者之間空氣的擊穿強度時,雷云對放電體產生放電,正負電荷在電路中猛烈地中和,而樓頂的感應電荷卻不能以相應的速度流散,于是將會產生高達幾萬伏的感應電壓。如果樓頂不采取良好的接地,室內的設備即有可能因感應電壓而受損。

雷擊時,除建筑物產生很高的感應電壓外,在輸電線路、通訊線路上同樣會發生這種現象。由于感應電壓,與雷云極性相反的電荷聚積到一段線路上,成為束縛電荷。當雷云對放電體放電時,雷電通道中的電荷猛烈中和,線路上的束縛電荷變為自由電荷,向導線兩邊流動,形成感應過電壓波。據有關資料介紹,高壓輸電線路上的感應過電壓可達300～400kV;一般配電線路和通訊線路,雖然懸掛高度較低,漏電較大,但感應過電壓仍可達幾萬伏的瞬間高壓。這次的雷擊事故我們分析可能與此有關。

(2)電磁感應。由于雷電流具有極大的幅值和陡度,在放電通道周圍的空間里,會產生強大的變化電磁場。處在這一電磁場中的導體會感應出較大的電動勢。如果回路中有些地方接觸不良,就會產生局部發熱或放電。電磁感應現象還可以使構成閉合回路的金屬物體產生感應電流,對設備或建筑物等造成損害。

3)雷電波侵入

由于雷電對架空線路或金屬管道的作用,所產生的雷電波可能沿著這些線路或管線侵入室內,危及人身和設備的安全。據有關資料介紹,雷電侵入波造成的事故在雷電事故總數中占有較大的比重。此次雷擊后,我們采取預防措施時,分析雷電波侵入的成分也很有可能。

2 雷災的新特點

一般人們對部分設施直擊的防范針對性較強,而對感應雷和雷電侵入波的防范卻考慮得不夠全面,措施上不盡完善,特別是目前大量的通訊系統、家用電器、電腦網絡和工業控制設備等采用集成電路和高靈敏度的電子元器件,內部結構的高度集中化,使設備耐受過電壓、過電流的能力下降,難以承受雷電造成突發的強磁場或雷電波的侵害,致使遭受雷擊危害較為普遍。所以,目前造成雷電危害的主要原因就是雷電感應和雷電侵入波。近年來,雷災呈現出新的特點:受災面大大擴展,特別容易侵入與高新技術最密切的領域,損失和危害程度大大增加;尤其通訊計算機網絡精密設備更易遭受雷電破壞,輕者可造成計算機終端和通信設備的接口損壞,使通信中斷,大量信息丟失或無法傳輸;嚴重者使網絡主機損壞,導致網絡癱瘓,工作無法進行。計算機網絡系統易遭受雷擊損壞的設備有:MODEM(調制解調器)、ROUTER(路由器)SWITCH(交換機)HUB、網卡、通信卡、UPS、計算機電源及主板。

在今天的信息時代,電腦、網絡和通訊設備越來越發達,智能化建筑增多,電氣化設備對電磁環境的要求越來越高,如何才能更有效的避免雷災帶來的損失成為眾多企業的心痛之痛。

3 雷擊事故的原因分析及預防措施

此次雷擊事故給我們公司造成的經濟損失很大,事后我們進行了原因分析:所有損壞設備均在通訊線路的首端和末端,而通訊線路就是很長距離的室外架空線路。雷擊時,通訊線路產生感應電壓,形成的高電壓波向通訊線兩端流動。通訊線兩端的通訊板、控制大板均系+5V電源的高集成電路,耐過電壓能力極低,所以成為擊穿或燒毀的對象。

我們公司80KA電解鋁生產系列已運行8年之久,檢查中發現部分電氣絕緣趨于老化,部分防雷保護接地線已斷裂或達不到標準,針對我們設備的實際情況,采取以下預防措施:

1)根據絕緣避雷理論,我們將屏蔽層破損、絕緣老化的通訊線路予于更換,必要時部分位置加裝絕緣墊木、絕緣膠皮等絕緣物;

2)根據防雷接地理論,將通訊板、大板、中繼板的“信號地”與箱體可靠連接,箱體可靠接地,消除雷擊時“信號地”與防雷接地裝置的電位差,從而保護設備。將避雷器(針)、廠房、線路、托線架等設備避雷接地線全部檢查,需要更換的予于更換。

4 結論

雷擊事故給了我們沉重的打擊,“雷災猛于虎”的事實在高度信息化的時代已逐漸驗證。

雷電本身并沒有變,而是科學技術的發展,使得人類社會的生產生活狀況變了。微電子技術的應用滲透到各種生產和生活領域,微電子器件極端靈敏這一特點很容易受到無孔不入的雷電電磁脈沖的作用,造成微電子設備的失控或者損壞。計算機的廣泛應用,生產的高度自動化使我們已離不開微電子,也可以說我們已進入微電子時代,而微電子耐過壓能力極低,促使我們的防雷工作“任重而道遠”。

參考文獻

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[2] 張文淵.雷電的危害性分析與預防措施[J].

[3] 廣東防雷博客.