分散控制系統(tǒng)雷擊故障及預(yù)控

董家斌 羅揚曙 王家陳 秦 忠 秦雄鵬 趙勇軍

(云南電力技術(shù)有限責任公司，云南 昆明 650217)

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分散控制系統(tǒng)雷擊故障及預(yù)控

董家斌 羅揚曙 王家陳 秦 忠 秦雄鵬 趙勇軍

(云南電力技術(shù)有限責任公司，云南 昆明 650217)

以一起DCS溫度卡件雷擊損毀事故為例，介紹了接地網(wǎng)電氣完整性測試分析、循泵房防雷等級劃分及相應(yīng)的外部防雷措施情況，探討了直擊雷和感應(yīng)雷兩種危害產(chǎn)生的事故原因。結(jié)合接地阻抗、導(dǎo)通測試數(shù)據(jù)及現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)的接地扁鋼銹蝕斷裂情況，對接地網(wǎng)安全性狀態(tài)進行評估并指出潛在的風險。依照標準規(guī)程及反措要求，提出了加裝外部防雷措施、開展主接地網(wǎng)電氣完整性測試、地網(wǎng)腐蝕情況開挖檢查、信號電源回路裝設(shè)SPD、屏蔽5個方面預(yù)防措施，對DCS的改造、運行及防雷設(shè)計具有借鑒意義。

分散控制系統(tǒng)(DCS) 循泵房 直擊雷 感應(yīng)雷 接地阻抗 地網(wǎng)腐蝕 浪涌保護器(SPD)

Grounding impedance Grounding grid corrosion Surge protection device

0 引言

分散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)在工業(yè)生產(chǎn)中能夠?qū)崿F(xiàn)分散控制與集中管理，具備技術(shù)先進、控制功能豐富、界面友好、可靠性高等優(yōu)點，得到了廣泛運用[1-3]。在火力發(fā)電機組自控領(lǐng)域，DCS能夠?qū)CS、FSSS、DEH、脫硫脫硝等進行組態(tài)納入其控制范圍，其可靠與否直接關(guān)系到機組的安全穩(wěn)定運行[4-,5]。運行經(jīng)驗表明：DCS會發(fā)生通信異常、雷擊損壞、電磁干擾誤動作和電源系統(tǒng)等故障，嚴重情況下易導(dǎo)致機組跳閘的非計劃停運事故[6-10]，因此， DCS可靠與否對機組安全、確保生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)濟效益有著重要意義。本文探討了某4×300 MW火電廠DCS雷擊事故的原因，依據(jù)現(xiàn)場檢查、試驗發(fā)現(xiàn)的缺陷，并結(jié)合標準、規(guī)程及反措要求提出了具體可行的防范措施。

1 事故概述

2013年8月14日14時27分，某4×300 MW火力發(fā)電廠發(fā)生雷擊事件，造成1#機組DCS系統(tǒng)內(nèi)的1#循泵測溫11#卡件雷擊損毀，另外一次雷擊事件發(fā)生于2013年8月16日16時09分，造成2#機組DCS 1#循泵測溫11#卡件損毀。兩次事故損壞的均為11#卡件，該卡件共計8個測溫通道，分別采集2#機循泵推力瓦溫度、2#機循泵A相線圈溫度、2#機循泵B相線圈溫度、1#機上導(dǎo)瓦溫度、1#機下導(dǎo)瓦溫度2、1#機推力瓦溫度2、1#機C相線圈溫度及備用通道。

2 現(xiàn)場檢查

2.1 接地網(wǎng)電氣完整性測試及結(jié)果分析

為掌握一期循泵房DCS控制柜接地狀況，開展接地導(dǎo)通測試。首先選擇循泵房外電纜溝內(nèi)接地扁鋼作為可靠的、與主接地網(wǎng)連接的參考點，開展循泵房內(nèi)各接地引下線的導(dǎo)通狀況測試。

各構(gòu)筑物位置示意圖如圖1所示，接地導(dǎo)通測試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 構(gòu)筑物布局圖

表1 接地導(dǎo)通測試數(shù)據(jù)

對接地導(dǎo)通測試數(shù)據(jù)進行分析，得出初步結(jié)論及建議。

① 380 V/220 V一期循環(huán)水泵房MCC3#柜與主接地網(wǎng)連接狀況良好。

② 交流380 V電源進線柜、2#機組—30#控制柜、380 V/220 V一期循環(huán)水泵房MCC1#柜導(dǎo)通值為400多毫歐，可能存在接地引線腐蝕或焊接處接觸不良情況，建議適時進行處理。

③2#機組—30#控制柜(即DCS監(jiān)控柜)下方電纜溝內(nèi)接地扁鋼與地網(wǎng)連接處于斷開狀態(tài)，經(jīng)檢查，該接地扁鋼引出至室外電纜溝后即懸空，未見與主地網(wǎng)有焊接點。考慮到電纜溝內(nèi)的動力、控制及信號電纜處于運行狀態(tài)，對接地扁鋼開展焊接工作存在一定風險，建議采用新放兩根電纜進行連接。

2.2 循泵房防雷等級劃分

按照建筑物重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性和后果來進行建筑物防雷等級的劃分，以下分三步計算出一期循泵房的年預(yù)計落雷次數(shù)，以確定其防雷分類。

第一步：計算雷擊大地的年平均密度Ng，次/(km2·a-1)。

Ng=0.1Td=0.1×63=6.3

(1)

式中:Td為年平均雷暴日;63的取值參考了1971～2009年氣象部門相關(guān)統(tǒng)計資料。

第二步：計算與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積，km2。

πH(200-H)]×10-6=0.008 4

(2)

式中:L、W、H分別為建筑物長、寬、高；其值分別取20、6、10(單位:m)。

第三步：得出建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)N，次/年。 N=k×Ng×Ae=1×6.3×0.008 4=0.052 9

(3)

即一期循泵房遭直擊雷的可能性是19年1次。參照GB 50057-2010第3.0.4條第3款規(guī)定：“預(yù)計雷擊次數(shù)大于或等于0.05次/a，且小于或等于0.25次/a的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物或一般性工業(yè)建筑物，應(yīng)劃為第三類防雷建筑物。”一期循泵房歸屬為第三類防雷建筑物。

依據(jù)GB 50057-2010第4.4條相關(guān)規(guī)定，第三類防雷建筑物外部防雷的措施宜采用裝設(shè)在建筑物上的接閃網(wǎng)、接閃帶或接閃桿，也可采用由接閃網(wǎng)、接閃帶或接閃桿混合組成的接閃器。接閃網(wǎng)、接閃帶應(yīng)按規(guī)范規(guī)定沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷擊的部位敷設(shè)，并應(yīng)在整個屋面組成不大于20 m×20 m或24 m×16 m的網(wǎng)格。接閃器之間應(yīng)互相連接。專設(shè)引下線不應(yīng)少于2根，并應(yīng)沿建筑物四周和內(nèi)庭院四周均勻?qū)ΨQ布置，其間距沿周長計算不宜大于25 m。通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)：一期循泵房未按標準要求裝設(shè)接閃網(wǎng)、接閃帶或接閃桿等外部防雷措施，不符合GB 50057-2010要求。

3 事故原因分析

3.1 直擊雷對循泵房的影響

通過圖1，看到該電廠生產(chǎn)區(qū)域各構(gòu)筑物相對位置關(guān)系。

與一期循泵房相鄰且高度遠遠高于該房屋的構(gòu)筑物有冷卻塔和鍋爐塔臺，而兩者中冷卻塔相對于一期循泵房距離較近，約為10 m。

直擊雷閃發(fā)生時最容易擊中的是相對位置較高的構(gòu)筑物。一期循泵房距地面高約10 m，單機30萬火力發(fā)電機組的冷卻塔可高達100 m，可把冷卻塔看作一基“避雷針”，計算其防直擊雷保護半徑，驗證一期循泵房是否在其保護范圍之內(nèi)。冷卻塔與循泵房位置如圖2所示。

圖2 冷卻塔與循泵房位置示意圖

依據(jù)文獻[11]第5.2條，1號冷卻塔在地面上的保護半徑按式(4)計算。

(4)

一期循泵房高度hx為10 m(hx<0.5h)水平面上的保護半徑為：

rx=(1.5h-2hx)P=(1.5×100-2×10)×

(5)

式中：rx為避雷針在hx水平面上的保護半徑，m；hx為被保護物的高度，m。

一期循泵房水平距離最遠點與高度為10 m兩點與冷卻塔的距離為20.9 m，該距離小于冷卻塔在地面上的保護半徑和在被保護物高度為10 m水平面上的保護半徑，即一期循泵房處于冷卻塔直擊雷保護范圍內(nèi)。

3.2 DCS遭受感應(yīng)雷分析

文獻[12] 研究成果表明雷電波沿10 kV輸電線侵入經(jīng)變壓器電容耦合至二次系統(tǒng)在MOA動作和未動作兩種情況下，二次過電壓可達46.7 kV和13 kV。二次系統(tǒng)接地不良好情況下，雷電的反擊過電壓亦可達數(shù)十千伏，而DCS卡件型式試驗和出廠試驗時耐受交流電壓僅2 000 V，數(shù)十千伏電壓無疑將造成溫度卡件損壞。

統(tǒng)計資料表明：建筑物雷擊事故的80%以上由雷電感應(yīng)過電壓造成。

當落雷于循泵房附近時，瞬時的雷電流入地形成較高電位，通過接地導(dǎo)通表明DCS監(jiān)控柜未與主網(wǎng)可靠連接，因此，在電流入地處與DCS監(jiān)控柜間形成電位差，當電位差足夠大時，造成反擊，燒毀二次模塊、卡件；另外，當周圍土壤有劇變電磁脈沖時，依據(jù)電磁感應(yīng)原理，在二次電纜屏蔽層上會感應(yīng)出過電壓，絕緣層擊穿過電壓侵入電纜芯線導(dǎo)致二次電子設(shè)備擊穿、燒毀。

4 接地網(wǎng)安全性狀態(tài)評估

地網(wǎng)安全性狀態(tài)對表征接地網(wǎng)狀態(tài)的接地阻抗、接觸電壓、跨步電壓、地網(wǎng)電位分布等參數(shù)進行實測和數(shù)值分析，結(jié)合接地網(wǎng)完整性和腐蝕性檢查與診斷，綜合評價廠、站發(fā)生短路故障情況下，地網(wǎng)電位升高、接觸電壓和跨步電壓等指標是否滿足一、二次設(shè)備安全和人員安全的要求。

查閱主接地網(wǎng)接地阻抗測試報告，測試值為0.434 Ω，滿足DL/T 596-1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》要求。跨步、接觸電壓和電位分布未測量，雷電流入地時的電位升情況不明。在2.1條地網(wǎng)完整性測試結(jié)果表明：DCS控制柜接地引下線與主接地網(wǎng)為斷開狀態(tài)，是導(dǎo)致本次DCS溫度卡件雷擊損壞事故的直接原因。另外，后續(xù)檢查中電纜溝的另一側(cè)發(fā)現(xiàn)了接地扁鋼連接存在斷點,接地扁鋼銹蝕情況嚴重，拿撬桿用力去戳亦不能使銹蝕層完全脫落。

綜合上述，該廠接地網(wǎng)存在的安全隱患主要有：① 施工后一直遺留的局部地網(wǎng)與主網(wǎng)斷裂，雷電流入地形成電勢差發(fā)生高電位對低電位放電反擊，誘發(fā)二次系統(tǒng)元件雷擊損壞事故；② 運行20年后接地網(wǎng)腐蝕異常嚴重，接地阻抗值已逼近上限0.5 Ω，存在接地阻抗超標、接地引線腐蝕斷裂后故障電流在接地網(wǎng)上形成的高電位導(dǎo)致繼電保護誤動、人身傷害風險。

5 防范措施及建議

5.1 循泵房加裝外部防雷措施

計算表明：一期循泵房防直擊雷方面處于冷卻塔的保護范圍之內(nèi)，但是，雷云放電受很多因素的干擾，不排除一期循泵房遭受直擊雷可能性。因此，應(yīng)按照GB 50057-2010要求裝設(shè)屋頂接閃帶、接閃網(wǎng)，并與主地網(wǎng)可靠連接。

5.2 接地網(wǎng)完整性測試

DCS監(jiān)控柜未與主接地網(wǎng)可靠連接，冷卻塔遭直擊雷后，在電流入地處與DCS監(jiān)控柜間形成電位差，造成反擊，燒毀二次溫度模塊、卡件。本次檢查發(fā)現(xiàn)兩處接地扁鋼存在斷點，其余監(jiān)控、保護、通信等二次弱電設(shè)備也存在未與主網(wǎng)可靠連接的可能性，建議開展二次屏柜接地電阻測量及接地導(dǎo)通試驗，測試值應(yīng)滿足標準規(guī)程或制造廠的要求。

5.3 接地網(wǎng)開挖檢查

鑒于該廠主接地網(wǎng)運行已超過20年，結(jié)合本次檢查中發(fā)現(xiàn)的腐蝕、斷裂情況，建議開展接地網(wǎng)的開挖檢查工作，做好文字、圖片、視頻等記錄，撰寫接地網(wǎng)開挖檢查報告并存檔，以便與后續(xù)的開挖檢查做參考對比，分析存在的接地網(wǎng)安全隱患并制定整改措施或計劃。

5.4 安裝浪涌保護器

浪涌保護器(surge protection device,SPD)能把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設(shè)備所能承受的電壓范圍內(nèi)，同時將電路上的雷電電流導(dǎo)入大地。為防止DCS電源模塊損壞，應(yīng)采用在電源總進線處、分配電箱處及DCS電源插座處裝設(shè)浪涌保護器的三級避雷保護方式，并且電源應(yīng)當采用TN-S方式接地以保證裝置運行中外殼不帶電位[13]。裝設(shè)I/O模塊浪涌保護器，其插入損耗、分布電容、額定電壓等參數(shù)應(yīng)滿足要求。另外，根據(jù)現(xiàn)場具體情況亦可采取加裝信號隔離器、安全柵等措施。

5.5 屏蔽

循泵房的籠式防雷系統(tǒng)具備屏蔽、均衡懸浮電位功能，對DCS等電子系統(tǒng)具備較好的防護功能。對于雷電活動頻繁、雷擊風險較高的DCS防雷可使用電纜雙層屏蔽技術(shù)，外屏蔽層雙端接地用于防感應(yīng)過過電壓，內(nèi)屏蔽層單端接地防止靜電感應(yīng)，屏蔽層兩端做等電位連接并接地。電纜走線路徑應(yīng)考慮盡量減小電磁感應(yīng)環(huán)路面積，當信號電纜與動力電纜同路徑敷設(shè)時二者的間距應(yīng)滿足GB 50343-2012要求。

6 結(jié)束語

發(fā)電廠以接地阻抗值作為評判接地網(wǎng)性能優(yōu)劣的唯一指標已不滿足目前防雷接地科學技術(shù)水平發(fā)展趨勢，影響接地網(wǎng)安全運行的因素除接地阻抗外，還有地網(wǎng)電位升、跨步電壓、接觸電壓、熱穩(wěn)定性、腐蝕和地網(wǎng)完整性等方面，因此，開展發(fā)電廠接地網(wǎng)安全性狀態(tài)評估，辨識接地網(wǎng)運行中存在的風險并采取有針對性的整改措施十分必要。

[10]呂永興.和利時DCS常見故障原圍分析及其解決措施[J].熱力發(fā)電,2010,40(3):94-96.

[11]DL/T 620-1997 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].1997.

[12]仇煒,李景祿,馬福,等.變電站二次系統(tǒng)防雷措施的探討[J].電瓷避雷器,2009,42(2):27-31.

[13]GB 50065-2011 交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范[S].2011.

Lightning Failures of DCS and Preventive Control

With one of the accidents came from lightning failure of the temperature module of DCS as example,the electrical integrity testing and analysis of the grounding grid,the partition of lightning protection hierarchy for circulating water pump house,and corresponding external lightning protection measures are introduced; the causes of the accident are investigated from two types of the harm ways,i.e.direct lightning stroke and induction thunder.Combining with grounding impedance,conduction test data,and the corrosion fracture of grounding flat steel found in on-site inspection,the security conditions of the grounding grid is evaluated and the potential risks are pointed out.In accordance with the standard procedures and requirements of anti-measures,five preventive measures are proposed,including installing external lightning protection facilities,electric integrity test of main grounding grid; excavation inspection of grounding grid corrosion,equipping SPD for signal power supply loops,and shielding.These provide

for DCS retrofit,operation,and lightning protection design.

Distributed control system(DCS) Girculating water pump house Direct lightning stroke Induction thunder

TH86;TP277

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601017