雷電是一種自然放電現(xiàn)象，它具有極大的破壞力，對人類的生命、財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的危害。尤其是基于大規(guī)模微電子器件的熱控儀表與分散控制系統(tǒng)（DCS），耐壓低，對電磁脈沖特別敏感。伴隨著雷電產(chǎn)生的雷電電磁脈沖，以電磁感應(yīng)作用和電流波形式，引起的各種過電壓可達(dá)數(shù)百乃至數(shù)千、數(shù)萬伏，使儀表與控制系統(tǒng)遭受雷擊干擾和損害的可能性日趨增多。近年來安徽省內(nèi)電廠幾次雷擊導(dǎo)致熱控保護(hù)誤動(dòng)機(jī)組跳閘的事故，使電廠造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。 　　 [b]1 兩起DCS遭雷擊事故案例 [/b]　　1.1 某電廠#2機(jī)組因雷擊導(dǎo)致#2機(jī)組跳閘 　 2004年8月4日，某電廠#1機(jī)組（300MW）于0:59分A引風(fēng)機(jī)跳閘，引發(fā)輔機(jī)故障減負(fù)荷功能（RB）動(dòng)作，機(jī)組負(fù)荷迫降；#2機(jī)組于1:02分因“爐膛壓力高”鍋爐MFT動(dòng)作，造成機(jī)組跳閘。經(jīng)分析確定，此次事故原因是由于8月4日1時(shí)左右，煙囪周圍區(qū)域有較強(qiáng)雷電活動(dòng)，且雷電流較大（通過雷電定位系統(tǒng)測定雷擊發(fā)生時(shí)最大一次為197kA），如此強(qiáng)大雷電流在通過煙囪引入大地時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極大的感應(yīng)電勢，對1A、1B、2A、2B引風(fēng)機(jī)處的熱控弱電系統(tǒng)造成干擾，導(dǎo)致1A、1B、2A、2B引風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)軸承溫度元件、電機(jī)軸承溫度元件、入口靜葉執(zhí)行器反饋板損壞，包括這些信號(hào)所對應(yīng)的DCS輸入卡件也有不同程度的損壞，繼而導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)跳閘和機(jī)組跳閘。按照設(shè)計(jì)要求熱控信號(hào)電纜必須單端接地，此種接地方式對于低頻信號(hào)干擾有較好的屏蔽作用，但對雷電這樣的高頻信號(hào)干擾屏蔽作用不大。尤其是此次雷電襲擊強(qiáng)度較大，現(xiàn)有的接地防范措施難以抵御。 　　1.2 某電廠#7機(jī)組電氣油開關(guān)信號(hào)誤發(fā)鍋爐MFT 　2005年6月18日23時(shí)，某電廠＃7機(jī)組負(fù)荷180MW，AGC、一次調(diào)頻投運(yùn)正常，三套制粉系統(tǒng)運(yùn)行，16臺(tái)給粉機(jī)投運(yùn)。天氣雷雨交加。23:15:19秒MFT動(dòng)作信號(hào)發(fā)出，1秒后甲給粉總電源跳閘，按熄火處理。 　　 通過查詢歷史曲線及操作記錄：使MFT動(dòng)作的原因，是電氣油開關(guān)信號(hào)（BDI043）在23:15:17秒出現(xiàn)一個(gè)2秒的脈沖，通過2秒延時(shí)，直接造成MFT動(dòng)作（電氣油開關(guān)跳閘是MFT動(dòng)作條件之一）。首出原因顯示電氣主開關(guān)跳閘。經(jīng)電氣檢查，2707開關(guān)提供給DCS用的輔助接點(diǎn)是A、B、C三相常閉接點(diǎn)串聯(lián)，只有開關(guān)三相全部斷開，“油開關(guān)跳閘”信號(hào)才能發(fā)出，實(shí)際沒有出現(xiàn)，且無異?，F(xiàn)象。由于該信號(hào)電纜長（達(dá)600～700米），存在耦合電容作用，恰好23:15分有強(qiáng)雷電發(fā)生，產(chǎn)生感應(yīng)，是信號(hào)誤發(fā)的原因（同一DI卡件的其它信號(hào)均正常）。 　 2 雷電侵入儀控系統(tǒng)的途徑 雷電對火電廠儀表控制系統(tǒng)的危害主要是通過直擊雷和雷電電磁脈沖干擾（也稱雷電波）兩種形式。主要是通過以下的幾種耦合途徑給儀控系統(tǒng)帶來危害的： （1） 直擊雷造成的地電位浮動(dòng)而導(dǎo)致的雷電反擊?？刂葡到y(tǒng)建筑物的防直擊雷裝置在接閃時(shí)，強(qiáng)大的瞬間雷電流通過引下線流入接地裝置，會(huì)使局部的地電位浮動(dòng)并產(chǎn)生跨步電壓，如果防雷的接地裝置是獨(dú)立的，它和控制系統(tǒng)的接地體沒有足夠的絕緣距離的話，則它們之間會(huì)產(chǎn)生放電，這種現(xiàn)象稱為雷電反擊，它會(huì)對控制室內(nèi)的DCS系統(tǒng)產(chǎn)生干擾乃至破壞。 （2） 當(dāng)控制系統(tǒng)建筑物的防直擊雷裝置接閃時(shí)，在引下線內(nèi)會(huì)通過強(qiáng)大的瞬間雷電流，如果在引下線周圍的一定距離內(nèi)設(shè)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(huì)對DCS的電纜產(chǎn)生電磁輻射，將雷電波（高電位）引入DCS系統(tǒng)，干擾或損壞DCS系統(tǒng)； （3） 當(dāng)控制系統(tǒng)周圍發(fā)生雷擊放電時(shí)，空間輻射的電磁場會(huì)在各種金屬管道、電纜線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓（包括電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)），從而使儀控系統(tǒng)失效或損壞。 　　 3 儀表及DCS系統(tǒng)防雷的主要措施 今后幾年將是火電機(jī)組新建和投產(chǎn)的高峰期，如果能在熱控工程的設(shè)計(jì)階段就予以考慮儀表及DCS的防雷措施，是提高火電廠儀控系統(tǒng)抗雷擊能力的有效方法。應(yīng)對以下幾點(diǎn)給予充分的考慮： 　（1） 接地 DCS應(yīng)用中最不清楚但又必須解決的問題就是接地問題。不僅很多用戶不清楚，甚至有的DCS廠家也未必很清楚。目前火電廠熱工儀表控制系統(tǒng)的接地主要有兩種措施：浮地、多點(diǎn)接地。 　· 浮地是指儀表的工作地與建筑物的接地系統(tǒng)保持絕緣，這樣建筑物接地系統(tǒng)中的電磁干擾就不會(huì)傳導(dǎo)到儀表系統(tǒng)中，地電位的變化對儀表系統(tǒng)也無影響。但由于儀表的外殼要進(jìn)行保護(hù)接地，當(dāng)雷電較強(qiáng)時(shí)，儀表外殼與其內(nèi)部電子電路之間可能出現(xiàn)很高的電壓，將兩者之間絕緣間隙擊穿，造成電子線路損壞。 　· 多點(diǎn)接地是指DCS、儀表（變送器、執(zhí)行器等）、PLC 等設(shè)備的工作接地與保護(hù)接地分開，這種接地方式的突出優(yōu)點(diǎn)是可以就近接地，接地線的寄生電感小。但是如果較強(qiáng)的雷電波通過保護(hù)地進(jìn)入系統(tǒng)，電子電路同樣會(huì)因承受高壓而損壞。 因此上述兩種接地方式都不能滿足防雷的需要。因此，應(yīng)考慮將保護(hù)地與工作地相連接，即對DCS系統(tǒng)以及和它相連的變送器、執(zhí)行器等必須采用等電位接地，DCS系統(tǒng)應(yīng)和公用接地系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地。這樣DCS系統(tǒng)和防雷系統(tǒng)的接地系統(tǒng)進(jìn)行等電位聯(lián)接后接入防雷接地系統(tǒng)，即使受到雷電反擊，但由于它們之間不存在電位差，所以不可能通過雷電反擊構(gòu)成對電子元件的威脅。等電位聯(lián)接是DCS系統(tǒng)免遭雷擊的重要措施。如果DCS系統(tǒng)無法和防雷系統(tǒng)的接地系統(tǒng)進(jìn)行等電位聯(lián)接時(shí)，根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ/T 16-92）[1]的規(guī)定，兩接地系統(tǒng)的距離不宜小于20米。在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)有電纜靠近引下線敷設(shè)時(shí)，必須考慮電纜和引下線間保持2米以上的距離?！督ㄖ镫娮有畔⑾到y(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》[2]對此規(guī)定了該距離的計(jì)算公式。火電廠熱工儀表控制系統(tǒng)的接地系統(tǒng)可參照圖1設(shè)計(jì)。 [align=center]圖1 火電廠熱工儀表控制系統(tǒng)的接地 [/align] 　（2） 屏蔽 火電廠儀控系統(tǒng)大量采用半導(dǎo)體器件、集成電路和傳遞信號(hào)的電纜，由雷擊產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁脈沖可以直接輻射到這些元器件上，也可以在電源或信號(hào)線上感應(yīng)出瞬態(tài)過電壓波，沿線路侵入電子設(shè)備，使電子設(shè)備工作失靈或損壞。利用屏蔽體來阻擋或衰減電磁脈沖的能量傳播是一種有效的防護(hù)措施。儀控系統(tǒng)的防雷屏蔽主要包括三個(gè)方面：控制室屏蔽、現(xiàn)場儀表屏蔽、信號(hào)線和電源線屏蔽。 　· 控制室屏蔽 控制室（電子間）是DCS系統(tǒng)的心臟，對雷電產(chǎn)生的電磁脈沖十分敏感，需要特別注意其屏蔽問題。控制室應(yīng)是無窗的封閉結(jié)構(gòu)，將房屋墻壁中的結(jié)構(gòu)鋼筋交點(diǎn)處電氣連接，并與金屬門框焊接，構(gòu)成一個(gè)帶門開口的屏蔽籠，在室內(nèi)沿墻壁四周再做一圈保護(hù)接地環(huán)（接入防雷地），接地環(huán)與屏蔽籠進(jìn)行有效的電氣連接。 　· 現(xiàn)場儀表屏蔽 現(xiàn)場儀表（變送器、執(zhí)行器等）可采用金屬的儀表箱（罩）實(shí)現(xiàn)防雷屏蔽，儀表箱（罩）要與其它現(xiàn)場的金屬設(shè)施實(shí)現(xiàn)等電位連接，并接入防雷接地系統(tǒng)。 　· 信號(hào)線和電源線屏蔽 為了防止雷電電磁脈沖在信號(hào)或電源線路上感應(yīng)出瞬態(tài)過電壓波，所有的信號(hào)線及低壓電源線都應(yīng)采用有金屬屏蔽層的電纜。 對信號(hào)電纜的屏蔽接地，原則上是規(guī)定一端接地，另一端懸空。但單端接地只能防靜電感應(yīng)（即電容性耦合），不能防磁場強(qiáng)度變化所感應(yīng)的電壓（即電感性耦合），無助于阻礙雷電波的侵入。為了減少屏蔽芯線的感應(yīng)電壓，僅在屏蔽層一端做等電位聯(lián)接的情況下，應(yīng)采用有絕緣隔開的雙層屏蔽，外層屏蔽應(yīng)至少在兩端作等電位聯(lián)接（即兩點(diǎn)接地）。在這種情況下外屏蔽層與其它同樣做了等電位聯(lián)接的導(dǎo)體構(gòu)成了環(huán)路，感應(yīng)出一電流，因此產(chǎn)生減低源磁場強(qiáng)度的磁通，從而基本上可抵消無外層屏蔽層時(shí)所感應(yīng)的電壓（如圖2所示）。為此，也可以利用金屬走線槽或穿金屬管作為第二屏蔽層并用兩端接地的方法來實(shí)現(xiàn)。作為傳輸模擬信號(hào)回路的控制電纜和屏蔽層作為信號(hào)返回回路的同軸電纜，其屏蔽層宜采用集中一點(diǎn)接地方式，不得兩點(diǎn)接地[3]。 [align=center]圖2 雙層屏蔽的防雷原理 [/align] 當(dāng)電纜屏蔽層采用一點(diǎn)接地時(shí)，其接地點(diǎn)應(yīng)根據(jù)信號(hào)源和接收端是否接地來確定；選擇兩點(diǎn)接地時(shí)，應(yīng)考慮在暫態(tài)電流作用下電纜屏蔽層不致被燒熔。 從防雷的角度來看，走線槽應(yīng)選擇金屬材質(zhì)，而不應(yīng)選用環(huán)氧樹脂；另外對外部的電纜，如I/O電纜、電源電纜、通信電纜在室外的敷設(shè)段應(yīng)盡量采用埋地方式，以形成線路 屏蔽，減少雷擊可能。 （3） DCS的電源系統(tǒng)要采用TN-S系統(tǒng)的接地方式，以保證控制系統(tǒng)的金屬外殼（如機(jī)柜）在正常運(yùn)行時(shí)不帶電位。 TN-S系統(tǒng)有五根線，即三根相線A、B、C、一根中性線N及一根保護(hù)線PE，僅電力系統(tǒng)一點(diǎn)接地，用電設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分按到PE線上。TN-S系統(tǒng)的特點(diǎn)是，中性線N與保護(hù)接地線PE除在變壓器中性點(diǎn)共同接地外，兩線不再有任何的電氣連接。中性線N是帶電的，而PE線不帶電。該接地系統(tǒng)完全具備安全和可靠的基準(zhǔn)電位。其優(yōu)點(diǎn)是PE線上在正常工作時(shí)不呈現(xiàn)電流，因此設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分也不呈現(xiàn)對地電壓，有較強(qiáng)的電磁適應(yīng)性。 （4） 在進(jìn)行電纜走線橋架和控制柜位置設(shè)計(jì)時(shí)要盡量避免靠近建筑物防直接雷裝置的引下線，控制柜和操作站也要和窗戶、門口保持一定的距離。 ?。?） 按實(shí)用性、發(fā)生雷擊事故的可能性和后果，在必要的地方合理配置浪涌吸收器（SPD）。SPD是一種限制瞬態(tài)過電壓和分走電涌電流的器件，它在最短時(shí)間內(nèi)將線路上因感應(yīng)雷產(chǎn)生的浪涌電流釋放到地網(wǎng)，使建筑物內(nèi)各點(diǎn)之間電位差大致不變，從而保護(hù)設(shè)備。 ?。?） DCS選型時(shí)，必須要考慮它的電磁兼容性（EMC）指標(biāo)，特別是浪涌抗擾度和脈沖磁場抗擾度。 此外，要認(rèn)真按照電力行業(yè)和其它行業(yè)有關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)要求，做好接地系統(tǒng)的定期維護(hù)保養(yǎng)工作，特別是在每年雷電到來前應(yīng)做好: 　· 對全廠接地網(wǎng)的完好程度、接地電阻大小等進(jìn)行檢測，如DCS系統(tǒng)等電位連接、屏蔽的情況，確認(rèn)DCS系統(tǒng)接地、屏蔽狀況符合設(shè)計(jì)要求，煙囪接地與主網(wǎng)接地的地下部分距離是否符合設(shè)計(jì)要求等。對投產(chǎn)多年的電廠，有必要開展接地網(wǎng)壽命周期、DCS雷擊損害的風(fēng)險(xiǎn)評估等工作，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)整改。 · 認(rèn)真檢查露天安裝控制設(shè)備（變送器、執(zhí)行器、液位計(jì)、壓力開關(guān)等）殼體、屏蔽電纜、走線槽等接地狀況，嚴(yán)防接地線纜松動(dòng)、虛接、脫落、接地電阻過大等異常情況的發(fā)生。 · 完善保護(hù)控制邏輯，盡量減少保護(hù)誤動(dòng)的可能性。如某電廠#7機(jī)組因DCS和DEH采用的信號(hào)取自2707開關(guān)非同一副接點(diǎn)，DEH未受到干擾，而DCS受到干擾發(fā)生了MFT，故可以從DEH引入另一路油開關(guān)信號(hào)，兩路進(jìn)行與邏輯運(yùn)算后再進(jìn)入MFT；電氣油開關(guān)跳MFT的邏輯中延時(shí)模塊由2秒改為3秒。 　 4 結(jié)語 為了防止或減少因雷擊導(dǎo)致現(xiàn)場儀表及DCS系統(tǒng)的故障和損壞，確保DCS及機(jī)組的可靠穩(wěn)定運(yùn)行，在遵守有關(guān)國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，要對整個(gè)儀控系統(tǒng)根據(jù)等電位連接的原則加以設(shè)計(jì)，從控制室、DCS I/O模件、現(xiàn)場儀表、儀表信號(hào)電纜和電源線等多方面綜合考慮，采用接閃、均壓、接地、屏蔽等多種措施，同時(shí)需要電氣、建筑、熱控等專業(yè)協(xié)同合作來實(shí)現(xiàn)。除了考慮系統(tǒng)安全性以外，還要考慮投資的成本、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，做到安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。 　 [b]參考文獻(xiàn): [/b]　　[1] JGJ/T 16-92. 民用建筑物電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 　　[2] GB 50343-2004. 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S]. 　　[3] 田海賓. 控制電纜屏蔽層接地方式探討[J]. 山西電力,2004,（2）:66～67. 　　[4] DL/T 5190.5-2004. 電力建設(shè)施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范第5部分：熱工自動(dòng)化[S]. 　　[5] GB 50093-2002. 自動(dòng)化儀表工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S]. 　　[6] HG/T 20513-2000. 儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)定[S]. 　　[7] 張慶超. 集散控制系統(tǒng)的雷擊與防護(hù)[J]. 化工自動(dòng)化及儀表,2004, 31（3）: 67～68. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　編輯：何世平