油庫自動化控制系統的防雷

李伯見，杜 威，李華騏

浙江油品儲運有限公司蕭山油庫，浙江 杭州 311227

由工業計算機IPC或可編程控器PLC組成的集數據采集、過程控制和信息傳送于一體的監控網絡在油庫自控系統中的廣泛應用，對自控系統的防雷技術提出了更高的要求。由于微電子器件的浪涌抗擾度很低，無論國產的或國外引進的DCS、PLC等控制系統，每年發生雷擊事故接連不斷，尤其在高雷區和強雷區。一旦自控系統遭雷擊，輕者損壞卡件，影響油庫的正常生產作業；重者將迫使油庫生產作業停產，造成重大的經濟損失和社會影響。因此有必要對自控系統的防雷作深入的探討。分析雷電對自控系統侵害途徑是正確采取防雷防護措施的前提。

1 雷電對自控系統侵害途徑

雷電對自控系統侵害的途徑主要有：1）直擊到電源輸入線，經電源線進入自控設備；2）以感應方式（電阻性、電感性、電容性）耦合到電源、信號線上，最終損害自控設備。

1.1 自控配電系統的防雷

油庫的配電系統一般在高壓進線端都已安裝了如閥型避雷器或氧化鋅避雷器等避雷裝置，但自控設備仍會遭受雷擊而損壞。這是因為這些措施的保護對象是電氣設備，而自控設備耐過壓能力低，用單一的器件或單級保護很難滿足自控設備對電源的要求，所以對電源防雷應采取多級保護措施。具體級數根據各自實際情況而定，圖1為油庫配電系統采用的三級保護方案。（原有的高壓避雷器保留）

圖1 蕭山油庫配電系統采用的三級保護方案示意圖

第一級在變壓器二次側，主要泄放外線等產生的過電壓，其雷通量大，啟動電壓高（920-1800V）。 第二級在自控系統UPS電源前，主要泄放第一級殘壓、配電線路上感應出的過電壓和其它用電設備的操作過電壓、其電流通量居中，啟動電壓居中（470V～1800V）。末級在PLC專用電源模板前，主要泄放前面的殘壓，完全可達到箝位輸出，其殘壓低，響應時間快。蕭山油庫自控系統電源線采用浪涌保護器（避雷器）后，基本上杜絕了因電源線引起的過電壓而損壞自控系統設備。

1.2 自控系統通訊線路防雷

1.2.1 通訊線的屏蔽接地

自控系統通訊線一般都采用特制屏蔽雙絞電纜（如DH+、MB+），對其中的屏蔽接地，許多行業規范規定是機房端接地，現場設備端懸空。這樣雖然能有效的抑制雷擊時產生的電容性耦合，但由于雷電電磁脈沖的磁場強度非常強大，僅依靠雙絞線作用還不足以抑制其磁場的耦合。此時，應采用電纜的雙層屏蔽，兩個屏蔽層之間絕緣，內層單端接地，抑制電容性耦合，外層兩端或多端接地，抑制電感性耦合。

通信電纜的外屏蔽層可采用金屬鎧裝電纜的金屬鎧裝層或敷設電纜的金屬橋架、金屬管等實現。目前蕭山油庫采用鋁合金橋架與鋼管相結合作為電纜的外屏蔽層，現場各信號采集設備通信、網絡電纜通過鋼管保護連接，匯集到橋架后進入總控站，鋼管與橋架經多點等電位接地，以抑制電感性耦合；內層通信線在總控站實行單端接地，抑制電容性耦合。多年來油庫從未因雷電感應引起設備損壞事故，證明了內外層屏蔽對抑制發生在電纜臨近區域內的電磁感應是很有效的。

1.2.2 通訊線使用浪涌保護器

對油庫一些重要自控系統（如油庫公路發油系統），萬一遭受雷擊，將嚴重影響油庫的正常發油作業（尤其是進口設備，備品備件采購價格高、周期長）。為確保油庫的正常生產作業，在做好網絡通訊線、信號線內外層屏蔽等各種防雷措施的同時，配置了相應的浪涌保護器。使得前面的各種防雷措施萬一出現疏漏，則安裝在被保護設備端口或附近的浪涌保護器還能抑制住殘余的、感應的雷電電流，使設備受到最后的保護，這對降低信息系統雷害概率、提高防雷可靠性有很好的、綜合性的作用。

1.3 控制站構筑物的防雷

油庫總控站是控制和信息中心，集中了很多位重值高的計算機設備、通訊設備、儀器儀表，是油庫生產監控、調度中心。因此，控制站所在構筑物的防雷是整個防雷系統中不可忽視的組成部分。雖然蕭山油庫控制站構筑物高度低（5m）、面積小，但地勢空曠，又臨近錢塘江，極易遭受各方向的各種形式的雷擊。因此控制站構筑物還是安裝了避雷網，共設4條避雷網引下線，以減小每條線上的泄放電流量從而降低感應能量。控制站接地網在不同方向與發油泵房、發油臺等接地網連接，以實現等電位連接。

1.4 合理接地

油庫接地系統按接地目的一般分為：直流系統工作接地、電氣設備保護接地及防雷防靜電保護接地等。那么，對這一接地系統應采用共用接地網接地好還是按各自的接地目的獨立接地好呢？ 我們知道，油庫自控系統是集信號采集、處理、控制等成一體的控制系統，許多信號（如壓力、液位、可燃氣體濃度、流量等）采集裝置都直接安裝在油罐或輸油管線上，而油罐等金屬導體壁往往又直接作為引下線與接地裝置連接。一旦油罐遭雷擊，安裝在油罐上的測量元件就隨油罐電位的升高而升高，此時如控制系統的接地裝置與油罐接地裝置是相互獨立的話，控制系統和信號采集元件之間就會產生很高的電位差，形成閃絡（反擊），使信號采集元件、PLC等設備損壞，同時在爆炸危險場所出現電火花會引起爆炸。

為了防止閃絡產生，應該將避雷裝置和控制系統的保護接地裝置、系統工作接地裝置等都連接到同一個接地網上即共用接地網接地。同時，相對于獨立接地，共用接地網還有如下幾個優點：1）共用接地網將各個接地極并聯連接，接地電阻要遠遠小于獨立接地時的接地電阻；2）由于是共用接地，即使其中的某一個接地極失效，其它的接地極也能補充，提高了接地的可靠性。所以采用共用接地網實行等電位連接是油庫控制系統接地的首選方式。

3 結論

總之，隨著油庫自動化控制程度的不斷提高，計算機、PLC系統大量采用大規模CMOS集成電路和分散控制用的CPU單元，使其對瞬間過電壓承受能力大幅度減弱，同時控制系統各種數據采集裝置、線路等伸入到油庫的各種環境之中，采用任何一種單一的防雷器件都難以保證其安全，必須采取綜合防護的措施，對癥下藥將各種可能引起雷害的因素排除，才能將雷害減少至最低限度，確保油庫安全、高效運行。