丁二烯裝置DCS系統的防雷措施

李 楨 沈杰猷

(中國石化股份有限公司茂名分公司化工分部)

丁二烯裝置DCS系統的防雷措施

李 楨 沈杰猷

(中國石化股份有限公司茂名分公司化工分部)

針對某2#丁二烯裝置DCS系統多次遭受雷電影響的問題，分析雷電入侵DCS系統的途徑，并給出了相應的解決措施。

防雷措施 DCS系統 2#丁二烯裝置 電涌保護器 入侵途徑

茂名乙烯2#丁二烯裝置的DCS系統每年都受到雷電影響，使部分模擬輸出(AO)卡失去冗余或工作不正常，并曾兩次造成大批調節閥失去控制，導致裝置非計劃停車。為此，筆者針對雷電入侵DCS系統導致的實際問題，對裝置停車事故進行了現場調查和原因分析，并提出了有效的防雷措施。

1 問題調查

筆者經過現場調查，總結了茂名乙烯2#丁二烯裝置受到雷擊后受影響調節閥的情況，具體見表1。可以看出，失控的調節閥大部分集中在裝置中部，但也有部分出現在南北走向裝置的南北兩端，而且一層、二層、三層平臺都有，分布在裝置的各個區域。失控調節閥相關的AO點分布在4個不同的AO卡上，4個AO卡又分別處于不同的卡籠中。因此，從現場接線箱分布看，與失控調節閥相關的點分布在十幾個不同區域的接線箱中。

表1 受雷電影響調節閥的情況

(續表1)

2 雷電入侵DCS系統的途徑

雷電對DCS系統的影響可分為3種情況：雷電直擊、雷電感應和雷電反擊。儀表直接“接閃”的可能性較小，而連接現場儀表和控制室儀表的電纜則有傳導雷電感應電波的可能，同時雷電干擾還可能通過地網和供電進入控制室[1]。

2#丁二烯裝置DCS系統采用兩路UPS供電。其中一路UPS的供電電纜從2#丁二烯裝置電氣變電所途經室外電纜槽一百多米到達控制室電氣配電柜，再由電氣配電柜連接到相距三十多米遠的儀表機柜室儀表配電柜。室外電纜槽的一百多米電纜采用的是非屏蔽電纜，極易受到雷電干擾，并將干擾帶入DCS系統中。

從受干擾調節閥回路的電纜走向情況看，這些電纜都是匯集到同一個電纜槽盒后再進入控制室的。經查，信號電纜的槽盒有部分盒蓋缺失或未蓋好。同時，由于帶電云層靜電感應的作用，使地面、槽盒和電纜均帶上異種電荷，當直擊雷發生或閃電在云層之間放電后，云層帶電迅速消失，槽盒和電纜的屏蔽層立刻散流。在直擊雷的放電過程中，強大的脈沖電流也可能對槽盒中的電纜或槽盒產生電磁感應電壓，發生閃擊現象。因此，如果電纜槽盒蓋缺失或未蓋好，雷電產生的電磁干擾極易入侵電纜，從而進入DCS系統。另外，電纜槽盒進入室內的部分與建筑物的一個防雷引下線距離約10mm，根據文獻[2]，信號電纜與防雷引下線的最小交叉凈距離為300mm，因此，當由引下線泄放雷電流時，也可能對信號電纜造成干擾。

1#、2#丁二烯裝置的DCS系統共用一套接地系統，但是每次受雷電影響的都是2#丁二烯裝置DCS系統，因此可以判斷，干擾不是從地網引入的。

DCS系統中，數字輸入(DI)卡和數字輸出(DO)卡的信號都有繼電器隔離，模擬輸入(AI)卡中有A/D轉換器，AO卡中有D/A轉換器，而A/D轉換器和D/A轉換器均是干擾的敏感器件，尤其是D/A轉換器最為敏感[3]。因此，當受到雷電干擾后，AO卡比AI卡更容易出現故障。

3 防雷措施

3.1 對室外敷設的UPS供電線路采取兩級電涌保護

對于室外敷設的UPS供電線路，在其室內電氣配電柜和儀表機柜室的配電柜輸入側各安裝一個電涌保護器。電涌保護器的工作原理是：正常情況時浪涌防護器不起作用，對保護線路的工作沒有任何影響；當浪涌電流沿著導線到達電涌保護器時，電涌保護器對地導通，瞬間快速將電涌沖擊電流釋放到大地，將電壓限制在不會損壞所連接儀表和設備的安全水平；當電涌電流衰減后，電涌保護器自動恢復到正常狀態。

3.2 取消靠近儀表電纜槽盒的防雷引下線

2#丁二烯裝置控制室所在的建筑，每隔6m就從鋼筋混凝土屋面采用引下線接地一次。根據文獻[4]，對于第1類防雷建筑物，現場澆灌或用預置構件的鋼筋混凝土屋面，其鋼筋網的交叉點應綁扎或焊接，并應每隔18～24m采用引下線接地一次。因此，在滿足規范要求的前提下，將靠近槽盒的防雷引下線取消。

3.3 鋼板結構的儀表電纜槽盒全程封閉

補齊、蓋好槽盒蓋，確保槽盒蓋之間沒有縫隙。將槽體和所有金屬部件全程電氣連續，槽盒進入控制室的室外部分并與電氣專業的接地極用接地線連接。

3.4 信號回路增加電涌保護器

由于儀表設備點多、分布面廣，當單臺儀表受到雷電干擾后上述3種措施很難避免干擾沿著單臺儀表線路入侵到DCS系統。為了提高DCS系統的可靠性，對DCS系統信號回路增加電涌保護器。DI、DO回路在室內都裝有繼電器隔離，因此回路可以不增加電涌保護器，僅在AI、AO回路中增加電涌保護器即可。

電涌保護器接地方法如圖1所示。電涌保護器應盡可能靠近被保護設備，且電涌保護器兩端的連接線要短而直[5]。在每個DCS系統的接線端子板柜旁邊增加一個電涌保護器柜，電涌電流通過電涌保護器后直接泄放到工作地，其他的地線則與電涌保護器的接地母線條在一點連接，所有電涌保護器母線與分組接地排的連接采用星形連接。為了確保電涌感應形成的最大兩端電壓低于儀表絕緣指標的要求，機柜和分組接地排之間的連接線長度要小于3m[6]。

圖1 電涌保護器的接地方法

4 結束語

2#丁二烯裝置DCS系統的防雷改造完成并投入運行后，DCS系統再未出現因雷電干擾導致的卡件失去冗余或工作不正常等問題。由于DCS系統供電從室外引入室內、電纜槽盒進入室內的部分與建筑物的防雷引下線距離太近都可能會將雷電干擾引入DCS系統，因此在原始設計時，應考慮將儀表系統的UPS置于控制室的建筑物內，電纜槽盒遠離防雷引下線。裝置投用后，要對電纜槽盒做日常檢查與維護，確保做到全程封閉。另外，當裝置投用后再進行DCS系統防雷改造時需要增加電涌保護器柜，電纜重新布線，接地系統重新施工，工作量大、難度大。因此，應在新裝置建設初始階段就考慮DCS系統的防雷措施。

[1] 李楨.自動化儀表系統防雷的探討[J].石油化工自動化,2008,44(5):68～71.

[2] GB 50343-2004,建筑物電子信息系統防雷技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2004.

[3] 王慶斌,劉萍,尤利文,等.電磁干擾與電磁兼容技術[M].北京:機械工業出版社,1999.

[4] GB 50057-2010,建筑物防雷設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2010.

[5] 謝社初.信息系統雷電過電壓的SPD防護[J].電氣應用,2007,26(8):16～20.

[6] Eaton Electric Limited.Earthing Guide for Surge Protection[M].Luton:MTL Instruments Group Plc,2011.

李楨(1970-)，高級工程師，從事自動化控制系統的應用與維護工作，lzh107@126.com。

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