DCS控制系统卡件防雷击探讨.pdf

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1、DCS 控制系统卡件防雷击探讨 文付建 （华电四川发电有限公司宜宾分公司） 【摘 要】通过对黄桷庄电厂#21、#22 机组在 DCS 改造后，每年都有入夏在雷雨天气中由于雷击造成部分 DCS 卡件被雷击损坏，引出对 DCS 控制系统卡件防雷击方法的探讨，进而分析了在测量回路中加入隔离元件或在测量回 路加装齐纳二极管和电容组合的防雷保护装置的防雷作用机理。 【关键词】DCS 卡件 防雷保护装置 作用机理 黄桷庄电厂#21、#22 机组 DCS 改造后，每年都有入夏在雷雨天气中，由于雷击造成部分 DCS 卡件雷击损坏。仅 2007 年，黄桷庄电厂#21 机组 DCS 系统中就有三块 RTD 卡件（

2、12R43U、4R32U、 4R33U）分别在 7 月 9 日，8 月 23 日、8 月 26 日雷雨天气中三次被雷击损坏，直接造成经济损失 8 万余元，且严重影响热控 DCS 控制系统安全和机组运行安全。因此，有必要对 DCS 控制系统卡件 采取预防措施避免被雷击损坏，对 DCS 控制系统卡件防雷击方式也值得探讨。 1 雷击损坏 DCS 控制系统卡件的几种途径 雷电损坏电器设备主要有两种方式：直击雷击损坏和感应雷击损坏。雷电直接击中设备所在建 筑物或设备连接线路并经过设备入地的雷击称为直击雷击；由雷电电流产生的强大电磁场经导体感 应出的过电压、过电流所形成的雷击称为感应雷击。感应雷击一般由电

3、磁感应产生，通过电力线路、 信号馈线感应雷电压，损坏电器设备。因而雷电对 DCS 控制系统卡件的损坏主要有以下四个途径： （1）DCS 控制系统控制室由于安装的方法或安装地点不当，受雷电在空间分布的电场、磁场 影响而损坏 DCS 控制系统卡件。 （2）直击雷经过建筑物接闪器（富兰克林避雷针、避雷带）入地泄放雷电流，导致数万伏的地 网地电位，通过 DCS 控制系统接地线，损坏 DCS 控制系统卡件形成地电位反击。 （3）雷电流沿建筑物避雷引下线入地时，在引下线周围产生强磁场，从而在引下线周围的金属 管（线）上经感应而产生过电压，通过控制线路、信号馈线等引入 DCS 卡件后，损坏 DCS 控制系

4、统卡件。 （4）当控制系统周围发生雷击放电时，空间辐射的电磁场会在各种电缆和金属设备上产生感应 电压，受直接雷或感应雷而加载的雷电压及过电流沿线路窜入 DCS 卡件，损坏 DCS 控制系统卡件。 2 防止雷击损坏 DCS 控制系统卡件的几种途径 （1）DCS 控制系统在安装地点上的防雷措施 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 根据建筑物防雷设计规范 （GB5005794，2000）的规定，建筑物应根据其重要性、使用性、 发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为第一类防雷建筑物、第二类防雷建筑物和第三类防 雷建筑物。第一类要求最高，第二类次之。DCS 控制室如果

5、和生产装置在同一建筑物内，其防直击 雷设施应连同生产装置的特点综合确定和设计。如果 DCS 控制室是独立的建筑物，应按该规范规定 的第三类防雷建筑物的标准设防。 由于 DCS 控制系统在安装设计初期已将控制室的墙和屋面内的钢筋、 金属门窗等进行等电位联 接，并与防直击雷的接地装置相联接，使控制室形成一个法拉第笼，因此大大减少了受电磁脉冲的 影响。 （2）对从室外进入控制室的各种电缆采取屏蔽措施 对屏蔽电缆的接地，原则上是规定一端接地，另一端悬空。但单端接地只能防静电感应，不能 防磁场强度变化所感应的电压。为了减少屏蔽芯线的感应电压，仅在屏蔽层一端做等电位联接的情 况下，应采用有绝缘隔开的双层屏

6、蔽，外层屏蔽应至少在两端作等电位联接。在这种情况下外屏蔽 层与其它同样做了等电位联接的导体构成了环路，感应出一电流，因此产生减低源磁场强度的磁通， 从而基本上可抵消无外层屏蔽层时所感应的电压。为此，可以利用金属走线槽或穿金属管作为第二 屏蔽层并用两端接地的方法来实现。 （3）将 DCS 系统和防雷系统的接地系统进行等电位联接 将 DCS 系统和防雷系统的接地系统进行等电位联接后，即使受到雷电反击，但由于它们之间不 存在电位差，所以不可能通过雷电反击构成对电子元件的威胁。等电位联接是 DCS 系统免遭雷击的 重要措施。如果 DCS 系统无法和防雷系统的接地系统进行等电位联接时，根据民用建筑电气设

7、计 规范 （JGJ/T 1692）的规定，两接地系统的距离不宜小于 20 米。在进行工程设计时，当有电缆靠 近引下线敷设时，必须考虑电缆和引下线间保持 2 米以上的距离。 建筑物防雷设计规范对此规定 了该距离的计算公式。 （4）对部分易感雷击的测点加装专用防雷保护装置， 如电涌保护器（SPD）等 3 易感雷击卡件处理过程 我们对损坏 DCS 控制系统卡件检查发现，元、器件无明显焊点熔化、烧灼变形现象，电路板上 布线无断裂、氧化变色和膨胀隆起现象，由此排除了直接遭受雷击，强电进入 DCS 通道后造成 DCS 控制系统卡件损坏；DCS 卡件安装在温度、湿度符合要求，位置良好的 DCS 计算机室内，

8、由此排除 了 DCS 控制系统设备安装的方法或安装位置不当，受雷电在空间分布的电场、磁场影响而损坏。因 此， DCS 卡件受损主要原因是外部测点受到感应雷电， 产生的雷电脉冲沿着信号线馈入到 DCS 卡件 通道内和在雷击时瞬间产生高电势造成 DCS 卡件损坏。 （1）从受损 DCS 卡件接入测点分布可以看出，受损测点主要分布在炉引风机和尾部排烟通道 区域，因此，我们选择这区域内测点进行防雷击技术处理。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 （2）从 DCS 卡件受损坏主要原因分析中，我们认为 DCS 卡件要有效预防雷击可从以下两个途 径分别实施： 1）在测量精度和

9、测量系统误差允许范围内，在测量回路中加入隔离元件或设备，将外部测点和 DCS 卡件通道分隔在两个独立回路中，当雷击现象发生后，雷电脉冲和雷电产生的高电位仅作用于 隔离元件或隔离设备输入级， 不会对隔离元件或隔离设备输出级造成影响， 这样就有效地保护了 DCS 卡件。防雷原理见下图。 2）采用齐纳二极管和电容组合设计一个防雷保护装置，防雷保护装置接入到 DCS 卡件通道输 入端，防雷保护装置接地端共用一个接地点，起到防雷保护作用。防雷保护装置具备快速响应、良 好的箝位能力、通流容量大、瞬变过程结束后能迅速恢复正常工作特点，在正常情况下不会对测量 回路产生影响。在雷击发生时，防雷保护装置能快速泄放

10、信号线上瞬时增加电荷能量，这样就有效 地保护了 DCS 卡件。防雷原理见下图。 3）选择的测点属于 DAS 系统，测点仅作为热力参数监视使用，不作为热力生产过程调节、连 锁保护和顺控信号使用。因此，我们在黄桷庄电厂#21 机组 DCS 系统中作防雷试验，在黄桷庄电厂 #21 机组中选择了四个温度测点，其位号分别是 TE_102_2，TE_102_3，TE_120_23，TE_120_30。 4）在这四个测点中选择其中两个测点实施加装热电阻隔离器方案，另两个测点实施 DCS 卡件 测量端接入防雷保护装置方案。具体分配下表。 原卡接入位置 新卡接入位置 测点位号 测点名称 防雷方式 类型 位置 类

11、型 位置 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 TE_102_2 排烟温度甲 1 4R32 第一 点 7R31 第九 点 TE_120_2 3 甲引风机电机 A 相线圈温 度 加装热电阻隔离 器 RTD 7R33 第一 点 AI 7R31 第十 点 接入位置 测点位号 测点名称 防雷方式 类型 位置 TE_102_3 排烟温度乙 1 4R32 第二点 TE_120_3 0 乙引风机电机 A 相线圈温 度 加装防雷保护装 置 RTD 7R34 第二点 从实施防雷击技术处理后，2008 年近 6 个月的时间期间多次出现雷雨天气，防雷击技术处理实 施处理的 DCS 卡件

12、均未出现被雷击损坏的情况，而未加装防雷设施的卡件中#22 机组的 3R_54 卡件 TE- 118- 1（高温过热器前烟温乙）则出现一次因雷击被损坏的情况，因此，两套防雷保护装置方案 均能有效地，在雷雨天气中保护 DCS 控制系统卡件防止被雷击损坏。 4 结束语 DCS 控制系统卡件防雷设计，必须因地制宜地考虑外部测点所处的地理位置和环境、年雷暴日 的多少。 采取一定的卡件防雷措施， 防止或减少因雷击导致 DCS 控制系统卡件的故障和损坏的机率， 做到安全可靠、经济合理。 参考文献： 1分散型控制系统的防雷 （徐义亨 浙江浙大中控技术有限公司） S 。 2黄厂 DCS 卡件防雷击攻关方案 （汪淋，华电宜宾分公司 2008 年） S 。 作者简介： 文付建 男，1976 年 8 月出生，大学文化程度，热控高级工、助理工程师，1995 年 8 月毕业于重庆电力高级技 工学校，发变电及输变电自动化专业，同年 8 月参加工作，分配到四川宜宾发电总厂热工专业公司工作，先后在热 工维护班、程控班及自动班工作。2002 年 7 月获得了四川核工业大学“计算机应用技术”专业大专文凭，现任华电 宜宾分公司工程公司热工团支部书记，工程公司热工自动班技术专责工程师。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建