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）的簡稱，國內(nèi)一般習慣稱為集散控制系統(tǒng)。它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)。隨著電腦通信設備的大規(guī)模使用，雷電以及操作瞬間過電壓對DCS系統(tǒng)的危害越來越嚴重。以往的防護體系已不能滿足電腦通信網(wǎng)絡安全的要求。應從單純一維防護（避雷針引雷入地=無源防護）轉(zhuǎn)為三維防護（有源和無源防護），包括：防直擊雷，防感應雷電波侵入，防雷電電磁感應，防地電位反擊以及操作瞬間過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）； 阻塞沿電源線或數(shù)據(jù)、信號線引入的過電壓波（內(nèi)部保護及過電壓保護）；限制被保護設備上浪涌過壓幅值（過電壓保護）。這三道防線，相互配合，各行其責，缺一不可。

2 雷電對DCS的危害

雷電電磁脈沖干擾對DcS控制系統(tǒng)的危害是：由強大的雷閃電流產(chǎn)生的脈沖電磁場，它對DCS系統(tǒng)的干擾有如下兩種形式：當控制室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，將雷電波引入DCS系統(tǒng)，干擾或損壞DCS系統(tǒng)；當控制室周圍發(fā)生雷擊放電時，會在各種金屬管道、電纜線路上產(chǎn)生感應電壓。如果這些管道和線路引進到控制室把過電壓傳到DCS系統(tǒng)上，就會對DCS系統(tǒng)產(chǎn)生干擾或損壞。此外，當空中攜帶大量電荷的雷云從控制室上空經(jīng)過時，由于靜電感應使地面某一范圍帶上異種電荷，當直擊雷發(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，它會對周圍的導線或金屬物產(chǎn)生影響，這種靜電感應電壓也會對DCS系統(tǒng)產(chǎn)生干擾或損壞。如防雷及接地措施不當，雷擊發(fā)生時，由于雷電流迅速變化在其周圍空間產(chǎn)生瞬變的強電磁場，使附近導體上感應出很高的電動勢，誘發(fā)強大的雷擊電磁脈沖，經(jīng)感性耦合、容性耦合或電磁輻射產(chǎn)生脈沖過電壓和過電流損壞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)無顯示，部分控制輸出不起作用，故障診斷中I/O卡件及部分數(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系統(tǒng)正常運行，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)浙大中控專家檢測分析卡件故障原因主要是：強浪涌電壓（雷擊）信號接入，導致卡件上的各通道芯片被擊穿或燒壞造成無法正常工作，卡件上元器件特別是集成電路基本上全部損壞；強浪涌電壓（雷擊）干擾通過某部分通道接入卡件，導致相應的通道故障。

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

3.2 雷擊DCS系統(tǒng)現(xiàn)場原因分析

1）強浪涌電壓（雷擊）通過I/O信號進入系統(tǒng)。通過對現(xiàn)場控制系統(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，當雷電發(fā)生時，裝置上I/O電纜極易接收遭受雷電放電時產(chǎn)生的強大的脈沖電磁場，在信號線上感應數(shù)以千伏計的浪涌電壓，并通過卡件形成電流回路擊壞相應的卡件通道或公共電路。

2）強浪涌電壓（雷擊）通過DCS控制系統(tǒng)的接地點進入系統(tǒng)。當雷電產(chǎn)生后，通過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，會在附近的I/O金屬線纜上感應出數(shù)以千伏的浪涌電壓。

3）強浪涌電壓（雷擊）通過電源線進入UPS系統(tǒng)

當雷電發(fā)生時，暴露在空中的電力電纜極易受到雷擊影響，在其電纜上感應形成數(shù)以千伏計的的浪涌電壓，通過電力系統(tǒng)損壞UPS（不間斷電源）系統(tǒng)設備。

4 DCS系統(tǒng)的防雷系統(tǒng)技術(shù)改造

針對公司DCS系統(tǒng)現(xiàn)狀，影響DCS系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的防雷系統(tǒng)主要因素有：1） DCS系統(tǒng)部份信號線外部I/0電纜敷設不規(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）受雷擊干擾導致輸出電壓故障

4.1 對外部信號線改造

對外部信號線的敷設進行整改，將暴露在橋架外的信號線，穿金屬套管，且金屬套管每隔30米進接地；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整體橋架，并進行接地。使整個橋架成為一個屏蔽金屬體，防止雷擊形成的強浪涌信號進入控制系統(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

首先改變接地體周圍的土壤結(jié)構(gòu)。在接地體周圍的土壤2m～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。木炭和細摻勻為一層，約10cm～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器

浪涌保護器是一種限制瞬態(tài)過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信號防雷器和通訊線路防雷器兩種。當有連接電纜從室外或其他系統(tǒng)進入控制室時，裝設SPD可以防護電子設備免遭雷電浪涌的閃擊。但是，如果所有的I/O通道都裝設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，不能強調(diào)萬無一失，否則從經(jīng)濟觀點出發(fā)就太浪費了。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)過雷雨季節(jié)氣的檢驗，改造后的系統(tǒng)通訊暢通，I/0信號穩(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、長周期運行。