控制系統(tǒng)遭雷擊的案例分析和雷害的風險評估講義課件

控制系統(tǒng)遭雷擊的案例分析和雷害的風險評估Researchanalysisandriskassessment

oflightningstrokeeventsforcontrolsystems

徐義亨2012年3月1控制系統(tǒng)遭雷擊的11控制系統(tǒng)遭雷擊的典型案例21控制系統(tǒng)遭雷擊的典型案例21.1某污水處理裝置雷擊案例（電磁感應）

雷害時間：2002年6月28日.現(xiàn)場情況：空曠、潮濕、有高壓輸電線，是明顯的引雷點。該裝置的DCS在廠長辦公室內(nèi)設立了一個監(jiān)控站，從控制室到廠長辦公室的通信電纜，在室外大概有6米一段長度是和建筑物的避雷帶（相距僅100mm）平行敷設的。事故情況：由于避雷帶中的雷電流通過電磁感應，將過電壓、過電流沿著通信電纜引入系統(tǒng)，將兩端的網(wǎng)卡擊穿。避雷帶通信電纜31.1某污水處理裝置雷擊案例（電磁感應）

避雷帶通信電纜3解決方法：方案一：拉開距離。將通信電纜重新敷設，保持和避雷帶、引下線起碼要相隔2米以上的距離。同時還應在金屬走線槽的兩端接地，槽與槽之間保持良好的電氣連接。方案二：改用光纖通信。這當然是解決問題的一種方案，但在敷設光纜時同樣也要注意光纜金屬部分的防雷接地。一點思考：

該裝置的所有I/O信號電纜全部在0.8米以下并用金屬走線槽或穿金屬管埋地敷設，所以任憑雷擊，所有的I/O卡都安然無恙。這就引起我們的思考-----關于信號傳輸線的雙層屏蔽為什么能起到防雷的作用。4解決方法：41.2某公司離子膜裝置和硫酸裝置的雷擊案例（電磁感應）控制室硫酸裝置離子膜裝置全部電纜穿金屬管埋地全部電纜用玻璃鋼橋架敷設51.2某公司離子膜裝置和硫酸裝置的雷擊案例（電磁感應）控制雷擊時間：2006年夏雷擊結果：硫酸裝置的控制系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表無損壞；離子膜裝置損壞了許多輸入/輸出卡。整改措施：將離子膜裝置的玻璃鋼走線槽用不銹鋼薄鋼板包裹并隔一定距離接地。6雷擊時間：2006年夏6整改措施不銹鋼板包裹走線槽接地干線7整改措施不銹鋼板包接地干線71.3某化工公司鄰硝裝置案例（反擊）

雷害時間:2004年3月17日.

事故情況:遭受雷擊，現(xiàn)場的多臺變送器（包括德國的E+H液位變送器）和對應的AI卡同時被雷擊壞。

變送器安裝支架自然接地81.3某化工公司鄰硝裝置案例（反擊）雷害時間:2004事故原因：

由于控制系統(tǒng)采用單獨接地，即便變送器的電子線路在現(xiàn)場側沒有工作接地，而且它和變送器的外殼隔有一定間隙（或串接一個反向二極管），但變送器的外殼和金屬安裝支架（或與金屬設備相連）形成了自然接地。當變送器附近的設備或建筑物遭雷擊時，由于地電位的浮動，可以使變送器和控制系統(tǒng)兩處的地電位差達幾萬、幾十萬伏，故通過信號電纜足以將變送器和控制系統(tǒng)的AI卡同時擊穿，或擊穿其中之一。解決方法：

將變送器外殼和控制系統(tǒng)通過共用接地網(wǎng)實現(xiàn)等電位接地。9事故原因：9雷電反擊原理圖變送器DCS150米幾萬、幾十萬伏地電位差地電位分布曲線引下線10雷電反擊原理圖變送器DCS150米幾萬、幾十萬伏地電位差地電1.4

1975年在荷蘭發(fā)生的驚人案例（反擊）

111.41975年在荷蘭發(fā)生的驚人案例（反擊）11雷擊法拉第籠造成對‘法拉第孔’內(nèi)導線的閃絡

電纜RL=1Ω法拉第孔100kA100kV法拉第籠

12雷擊法拉第籠造成對‘法拉第孔’內(nèi)導線的閃絡電纜RL=1Ω法1.5某石蠟加氫裝置案例分析（屏蔽不到位）雷害時間：2004年7月8日下午4點。事故情況：遭受雷擊。使操作站的工控機的主板被雷擊壞。

事故原因：

1）因為工控機所在機柜位于離大窗戶和門口不到0.8米，承受著和室外一樣的電磁場強度。

2）而工控機的外殼沒有屏蔽接地；

3）遭雷擊時，機柜門又半虛掩。

解決方法：首先是工控機的外殼屏蔽接地。其次，將控制室建筑物內(nèi)的鋼筋、金屬門窗等連接起來，進行格柵屏蔽。131.5某石蠟加氫裝置案例分析（屏蔽不到位）雷害時間：200

一點思考：該石油化工企業(yè)和石蠟加氫裝置相距不到30米的催化裂化裝置的DCS控制室，也為單層的獨立建筑物，由于設置了防直擊雷裝置（避雷帶），卻安然無恙?？梢姺乐睋衾籽b置對雷擊電磁脈沖（LEMP）有一定的衰減作用。所以，如控制系統(tǒng)所在的控制室是獨立建筑物，其周圍有高大建筑，如用滾球法確定高大建筑接閃器的保護范圍，控制室所在的獨立建筑物在該保護范圍內(nèi)時，雖然控制室所在的獨立建筑物可以不設防直擊雷裝置，但考慮到防直擊雷裝置對雷擊電磁脈沖（LEMP）有一定的衰減作用，所以該建筑物還是宜按《GB50057建筑物防雷設計規(guī)范》中規(guī)定的第三類防雷建筑物采取防直擊雷措施。14一點思考：該石油化工企業(yè)和石蠟加氫裝置相距不到30米的1.6某石化公司瀝青裝置的案例分析雷害時間：2003年7月21日。151.6某石化公司瀝青裝置的案例分析雷害時間：2003年7月某石化總廠瀝青裝置的控制室平面16某石化總廠瀝青裝置的控制室平面16問題1：在雷電的當即，為什么CRT顯示器會發(fā)生黑屏？2秒鐘后為什么又自動恢復？據(jù)現(xiàn)場調查，在遭雷擊時，控制室內(nèi)的UPS沒有發(fā)生停電事故，控制器和操作站的電源開關也沒有斷開過。顯示器黑屏2秒鐘后又恢復到黑屏前的顯示畫面，這說明操作站的主機在黑屏后也沒有重新啟動過（即一直處于通電狀態(tài)）。因此遭成顯示器黑屏的原因只能是強大的雷電電磁脈沖對陰極射線管（CRT）內(nèi)的電子束產(chǎn)生的干擾所至。因為距控制室南墻大窗戶只有3米左右的操作站，承受著和室外一樣的電磁場強度。這種干擾產(chǎn)生的后果是使顯示器失效，而不是破壞。即顯示器在雷電電磁脈沖的作用下，失去正常功能，過2秒鐘干擾消失后又恢復正常。

17問題1：在雷電的當即，為什么CRT顯示器會發(fā)生黑屏？2秒鐘后問題2：為什么連接在I/O信號卡前面的LB900型齊納安全柵卻安然無恙，而I/O卡卻壞了？由齊納安全柵原理圖可知，無論是由非本安端或現(xiàn)場端，當電壓超過一定值時，要過毫秒級的時間（制造商提供的數(shù)據(jù)）后方使齊納二極管VD1、VD2反向擊穿并產(chǎn)生雪崩，從而將能量釋放到地里去。而雷電脈沖的時間是μs級的，遠小于雪崩時間和快速熔斷器FA1的熔斷時間。再則，如果雷電波在金屬導線內(nèi)的的傳輸速度為每秒15萬公里，假定安全柵位于DCS前面3米，則從安全柵到DCS的傳輸時間為20ns。如果一旦有雷電波從現(xiàn)場經(jīng)過安全柵，還未等齊納二極管產(chǎn)生雪崩，雷電波已進入DCS系統(tǒng)，將DCS損壞，把進入的雷電能量釋放掉的同時從而也保護了安全柵。所以為什么雷擊時，I/O卡損壞了，連接在I/O信號卡前面的齊納安全柵卻安然無恙。

18問題2：為什么連接在I/O信號卡前面的LB900型齊納安全齊納安全柵原理圖19齊納安全柵原理圖191.7某石化公司苯酚裝置的案例分析（屏蔽不到位）雷害時間：2004年7月10日下午4點。

DCS機型：美國MOORE公司的APACS型。事故現(xiàn)象：遭雷擊時控制器內(nèi)的EPROM里的程序丟失。原因分析：控制器和所在機柜都沒有屏蔽接地，位于離大窗戶（塑鋼）不到1.8米，承受著和室外一樣的電磁場強度。遭雷擊時，使128K的EPROM內(nèi)的程序丟失。重新下裝后正常。201.7某石化公司苯酚裝置的案例分析（屏蔽不到位）雷害時間：1.8某燃氣公司混配站案例分析雷擊時間：2003年8月10日。事故情況：遭受雷擊的在線控制系統(tǒng)中包括一臺控制混合氣含氧量的控制單元。該氧氣分析裝置是美國TELEDYNE分析儀表公司的327RA型產(chǎn)品，其中包括一臺基于袖珍型燃料電池的分析單元（美國專利U.S.PAT.#3，429，796）和一臺控制單元。由于它對整個混配過程的操作具有舉足輕重的作用，以至雷擊后整個裝置不得不停產(chǎn)，嚴重地影響城市的供氣。

211.8某燃氣公司混配站案例分析雷擊時間：2003年8月10

電子線路分析：我們查閱了控制單元信號輸入部分的電子線路（見圖），并根據(jù)替換下來的損壞件是圖2中的A2（OP07）運算放大器，就可以說明，雷電波（高電位）是通過外部連接電纜從TS6的2-3端，經(jīng)過A1（OP07）運算放大器量程選擇開關的反饋通路直接進入A2（OP07）運算放大器，然后將其擊穿。2222含氧控制單元信號輸入的電子線路圖（局部）

23含氧控制單元信號輸入的電子線路圖（局部）23現(xiàn)場情況分析：該含氧分析儀從安裝在現(xiàn)場的分析單元到控制室內(nèi)的控制單元，總共有7根信號線相連，中間相距約150米，采用的是單層的屏蔽電纜（控制室一端接地）。電纜沿深度為700mm、寬約800mm的水泥地溝內(nèi)敷設，溝內(nèi)的電纜沒有再用金屬管和金屬走線槽保護，即連接電纜沒有采取雙層屏蔽和兩端接地的措施。所經(jīng)之地又有4、5處和建筑物避雷帶引下線的接地點相距很近。雷擊時，通過電磁感應將雷電波帶入控制單元，將其損壞。解決方法：采用雙層屏蔽電纜敷設。24現(xiàn)場情況分析：該含氧分析儀從安裝在現(xiàn)場的分析單元到控制24某燃氣公司混配站的電纜溝電纜溝25某燃氣公司混配站的電纜溝電纜溝25

2DCS雷害的風險評估

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概述

風險一般定義為遭受災害和損失的可能性，包括：風險的來源評估；風險的經(jīng)濟損失評估。

要對DCS進行雷害的風險評估，首先要有一個評估的標準。據(jù)查閱，目前涉及雷害風險評估的標準有：氣象行業(yè)標準:氣象信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護規(guī)范[QX3-2000]；國際電信聯(lián)盟標準:通信局站雷電損壞危險的評估[ITU-TK.39]；IEC標準:雷電災荒風險評估[IEC62305]；國家標準:建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范[GB50343-2004]。我們以2004年發(fā)布的IEC標準“雷電災荒風險評估[IEC62305]”和國家標準“建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范[GB50343-2004]”作為評估的參考標準。

27概述風險一般定義為遭受災害和損失的可能性，包括

本文僅討論風險的來源評估。其評估的基本內(nèi)容包括：

1）依據(jù)本地區(qū)的年平均雷暴日和控制室建筑物以及工藝裝置的長、寬、高計算年預計雷擊次數(shù)；

2）依據(jù)電源電纜和I/O電纜等效受雷面積計算進控制室線纜年預計雷擊次數(shù)；

3）計算年預計雷擊總次數(shù)。

4）按防雷裝置的攔截效率確定DCS的雷電防護等級；

5）存在的雷害隱患和改進措施。

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本文僅討論風險的來源評估。其評估的基本內(nèi)容包括

2.1建筑物年預計雷擊次數(shù)

依據(jù)本地區(qū)的年平均雷暴日和建筑物的長、寬、高計算建筑物年預計雷擊次數(shù)。例：上海地區(qū)實際的年平均雷暴日Td=49.9d/a（歷史數(shù)據(jù)為28.4d/a）

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2.1建筑物年預計雷擊次數(shù)依據(jù)本地區(qū)的年平均雷暴日計算：（1）雷擊大地的年平均密度即按地區(qū)的年平均雷暴日Td換算成每年每平方公里遭受雷擊的次數(shù)。按最新的[IEC62305]的計算公式為：

Ng=0.1Td=0.1·49.9=5.0次/km2·a（曾經(jīng)用0.023Td1.3、0.024Td1.3來計算，美國現(xiàn)用0.2Td來計算）

30計算：30(2)控制室所在建筑物的等效受雷面積注：

[IEC62305]Ae是這樣計算等效的受雷面積的：通過建筑物頂部與其接觸，將傾斜度為1/3的直線，圍繞建筑物一周后與地面交接的截面積為等效受雷面積（見下圖）。對下圖所示的建筑物，其等效受雷面積為：

Ae=[LW+6H(L+W)+9πH2](m2)

N1=kNgAe·10-6（次/年）式中k為和建筑物所處地理環(huán)境有關的校正系數(shù)，它可以按下表選取。31(2)控制室所在建筑物的等效受雷面積注：[IEC6230

建筑物等效受雷面積1：3LH3HW32建筑物等效受雷面積1：3LH3HW32

如建筑物具有復雜的形狀，例如在屋面上的某個部位具有一定高度的凸出物，可以根據(jù)上述定義用作圖法來計算建筑物的等效受雷面積。此時，一個可以接受的近似算法以最高點的高度的三倍畫一個圓，其圓面積為：

Ae=9πHp2×10-6(km2)

33如建筑物具有復雜的形狀，例如在屋面上的某個部位具有一建筑物(電纜)的相對位置校正系數(shù)k位于山丘或山頂上的孤立建筑物(電纜)2.0孤立建筑物(電纜)：附近沒有其它物體1.0被其它物體或樹所包圍0.534建筑物(電纜)的相對位置校正系數(shù)k位于山丘或山頂上的孤立建筑一點重要的說明：

建筑物年預計雷擊次數(shù)的計算，除了控制室所在建筑物外，還應包括含有變送器、執(zhí)行器等控制設備的工藝廠房或工藝框架。

（計算方法相同）35一點重要的說明：352.2進機柜室I/O電纜年預計雷擊次數(shù)N2的確定[IEC62305]是這樣計算進主控室電纜年預計雷擊次數(shù)N2的：進主控制室電纜年預計雷擊次數(shù)N2為：

N2=k·Ng·Al·10-6

（次/年）式中：k——線路位置的校正系數(shù)，它可以按上表選取。

Al——雷擊電纜的等效受雷面積，它包括雷擊入戶電纜的等效受雷面積Al1和雷擊入戶電纜鄰近區(qū)域的等效受雷面積Al2，即A1=Al1+Al2。362.2進機柜室I/O電纜年預計雷擊次數(shù)N2的確定[IEC表4.6電纜的等效受雷面積Al注：1.Lc是線路從控制室建筑物至現(xiàn)場的第一個分支點或與相鄰建筑物的長度，單位為m，最大值為1000m，當Lc未知時，可假定L=1000m。

2.ρ為埋設電纜的土壤電阻率，最大值可取500Ωm。

3.Ha——線路與工藝裝置相接的高度m；Hb——線路與控制室建筑物相接的高度m；

Hc——線路離地面的高度m。架空敷設埋地敷設雷擊入戶電纜Al16Hc[Lc-3(Ha+Hb)]0.8[Lc-3(Ha+Hb)]ρ1/2雷擊入戶電纜的鄰近區(qū)域Al21000Lc50Lcρ1/237表4.6電纜的等效受雷面積Al架空敷設埋地敷設雷擊入戶電纜2.3按雷擊風險評估DCS的雷電防護等級（1）建筑物及進控制室I/O電纜年預計雷擊次數(shù)N的確定

N=N1+N2+N3=1.275(次/年)（2）可接受的最大年平均雷擊次數(shù)Nc的計算式中：C——各類因子C=C1+C2+C3+C4+C5C1——DCS所在建筑物材料結構因子，鋼筋混凝土結構取1.0；

C2——DCS重要程度因子，集成化程度較高的低電壓微電流設備取3.0；

C3——DCS抗浪涌能力因子，相當弱取3.0；

C4——DCS所在雷電防護區(qū)（LPZ）因子，在LPZ2區(qū)取0.5；

C5——DCS發(fā)生雷擊事故的后果因子，因中斷后會產(chǎn)生嚴重后果取1.5。382.3按雷擊風險評估DCS的雷電防護等級（1）建筑物及進控制系統(tǒng)所在建筑物材料結構因子C1

建筑物材料結構因子金屬結構鋼筋混凝土磚混結構磚木結構木結構c10.51.01.52.02.539控制系統(tǒng)所在建筑物材料結構因子C1

建筑物材料結構因子金屬控制系統(tǒng)重要程度因子C2

控制系統(tǒng)重要程度因子等電位接地及屏蔽較完善的設備使用架空線纜的設備集成化程度較高的低電壓微電流設備c22.51.03.040控制系統(tǒng)重要程度因子C2控制系統(tǒng)等電位接地及屏蔽較完善的設控制系統(tǒng)抗浪涌能力因子C3

控制系統(tǒng)抗浪涌能力因子一般較弱相當弱c30.51.03.041控制系統(tǒng)抗浪涌能力因子C3控制系統(tǒng)抗浪涌能力因子一般較弱相控制系統(tǒng)所在雷電防護區(qū)（LPZ）因子C4

控制系統(tǒng)所在雷電防護區(qū)（LPZ）因子LPZ2區(qū)或以上LPZ1區(qū)內(nèi)LPZB0區(qū)內(nèi)c40.51.01.5～2.0

42控制系統(tǒng)所在雷電防護區(qū)（LPZ）因子C4控制系統(tǒng)所在雷電防控制系統(tǒng)發(fā)生雷擊事故的后果因子C5

控制系統(tǒng)發(fā)生雷擊事故的后果因子中斷后不會產(chǎn)生不良后果中斷后無嚴重后果中斷后會產(chǎn)生嚴重后果C50.51.01.5～2.043控制系統(tǒng)發(fā)生雷擊事故的后果因子C5控制系統(tǒng)發(fā)生中斷后不會中所以

C=1+3+3+0.5+1.5+=9.0

=5.8×10-1.5/9.0=0.0206(次/年)即本裝置DCS因直擊雷和雷電電磁脈沖損壞可接受的年平均最大雷擊次數(shù)每年僅為0.0206次。44所以44（2）防雷裝置攔擊效率E的計算

E=1-Nc/N=1-0.0206/1.275==0.984

根據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范（GB50343-2004）》第4.2.4條款有關雷電防護等級的規(guī)定：當E＞0.98時定為A級；當0.90＜E≤0.98時定為B級； 當0.80＜E≤0.90時定為C級；當E≤0.80時定為D級。所以本裝置的DCS的雷電防護等級應劃為A級，即最高等級。45（2）防雷裝置攔擊效率E的計算452.4存在的隱患(以某公司的加氫裂化裝置為例）（該裝置采用的DCS系統(tǒng)為美國Foxboro公司的I/A系列。）（1）存在于接地系統(tǒng)的問題A.DCS系統(tǒng)采用單獨接地，但其接地體和建筑物防直擊雷的接地體相距僅12米，小于規(guī)范標準規(guī)定的20米距離。B.本裝置所有現(xiàn)場變送器的外殼和DCS系統(tǒng)都沒有等電位接地，而變送器是由于安裝支架自然接地的。當變送器附近的設備或建筑物遭雷擊時，通過反擊可以使變送器和DCS失效或損壞。C.所有機柜的接地匯流排沒有采用分類匯總的連接方法，現(xiàn)有的所謂環(huán)路（即串聯(lián)接地）連接，會對各柜間的接地系統(tǒng)產(chǎn)生耦合，這對本安地是絕對不允許的。

462.4存在的隱患(以某公司的加氫裂化裝置為例）（該裝置采用（2）存在于線纜敷設的問題本裝置的電纜絕大部分采用環(huán)氧樹酯走線槽架空敷設的，起不了外層的屏蔽作用。如果整個工藝裝置遭受雷擊的話，空間的雷電電磁場通過電磁感應將高電位通過線纜帶入DCS將其損壞，這可能是最主要的原因。47（2）存在于線纜敷設的問題47（3）其它存在的問題

A.要關注建筑物防雷裝置引下線的具體位置，這對線纜敷設以及盤柜的布置有著舉足輕重的影響。B.要核實該DCS的電磁兼容性（EMC）指標，特別是對防雷有重要影響的浪涌抗擾度指標和脈沖磁場抗擾度指標。因為這牽涉到有否必要對重要的工藝參數(shù)的I/O端口加設浪涌吸收器（SPD）。48（3）其它存在的問題483從“亡羊補牢”到“防患于未然”

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無論是雷害的風險評估，或者是案例分析，雖然找出了問題的癥結所在，由于是在工程的施工大體完成或開工之后，如要作很大的修改談何容易,而且這終究是“亡羊補牢”。因此，如果能在工程的設計階段就予以考慮DCS的防雷措施，“防患于未然”才是解決問題的根本辦法。根據(jù)我們的工作經(jīng)驗，特提出下列幾個方面在今后新裝置的工程設計階段就給予充分的考慮，并提供給大家參考。

50無論是雷害的風險評估，或者是案例分析，雖然找出了問題的（1）對DCS系統(tǒng)以及和它相連的變送器、執(zhí)行器等必須采取等電位接地。（2）對外部的電纜要采用金屬材質走線槽，并采用雙層屏蔽和接地措施；I/O電纜、電源電纜、通信電纜在室外的敷設段應在雙層屏蔽的前提下盡量采用埋地方式，尤其是在進控制室前大于15米的距離內(nèi)。同時要利用控制室建筑物的結構鋼筋、金屬門窗等進行格柵屏蔽。

51（1）對DCS系統(tǒng)以及和它相連的變送器、執(zhí)行器等必須采取等電（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（如機柜）在正常運行時不帶電位。

（4）要避免走線橋架和控制柜靠近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。（5）在DCS機型選擇時，必須要考慮它的電磁兼容性（EMC）指標，特別是浪涌抗擾度和脈沖磁場抗擾度。（6）必要的地方應設置浪涌吸收器（SPD）。之所以說“必要的地方”是考慮到如下的兩個原因：

A.DCS遭雷擊畢竟是低概率事件，不能要求萬無一失，所以設置浪涌吸收器必須要考慮用戶的經(jīng)濟承受能力；

B.DCS本身具有一定的浪涌抗擾度和脈沖磁場抗擾度，而合理的工程設計又可以大大地抑制雷電電磁脈沖的耦合，所以也沒有必要過多地使用SPD。必要的地方應設置浪涌吸收器（SPD）。52（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

綜上所述，DCS的防雷，它首先取決系統(tǒng)的工程環(huán)境，包括采用等電位接地系統(tǒng)，I/O信號電纜、電源電纜和通信電纜的合理敷設，控制室的抗干擾設計以及供電系統(tǒng)的設計等等。

不注意工程環(huán)境，即便是世界上的一流產(chǎn)品也不能免受雷電的損害。其次，還取決于DCS本身的電磁兼容性。要合理地使用浪涌吸收器（SPD）。53綜上所述，DCS的防雷，它首先取決系統(tǒng)的工程環(huán)境，包括謝謝大家5454控制系統(tǒng)遭雷擊的案例分析和雷害的風險評估Researchanalysisandriskassessment

oflightningstrokeeventsforcontrolsystems

徐義亨2012年3月55控制系統(tǒng)遭雷擊的11控制系統(tǒng)遭雷擊的典型案例561控制系統(tǒng)遭雷擊的典型案例21.1某污水處理裝置雷擊案例（電磁感應）

雷害時間：2002年6月28日.現(xiàn)場情況：空曠、潮濕、有高壓輸電線，是明顯的引雷點。該裝置的DCS在廠長辦公室內(nèi)設立了一個監(jiān)控站，從控制室到廠長辦公室的通信電纜，在室外大概有6米一段長度是和建筑物的避雷帶（相距僅100mm）平行敷設的。事故情況：由于避雷帶中的雷電流通過電磁感應，將過電壓、過電流沿著通信電纜引入系統(tǒng)，將兩端的網(wǎng)卡擊穿。避雷帶通信電纜571.1某污水處理裝置雷擊案例（電磁感應）

避雷帶通信電纜3解決方法：方案一：拉開距離。將通信電纜重新敷設，保持和避雷帶、引下線起碼要相隔2米以上的距離。同時還應在金屬走線槽的兩端接地，槽與槽之間保持良好的電氣連接。方案二：改用光纖通信。這當然是解決問題的一種方案，但在敷設光纜時同樣也要注意光纜金屬部分的防雷接地。一點思考：

該裝置的所有I/O信號電纜全部在0.8米以下并用金屬走線槽或穿金屬管埋地敷設，所以任憑雷擊，所有的I/O卡都安然無恙。這就引起我們的思考-----關于信號傳輸線的雙層屏蔽為什么能起到防雷的作用。58解決方法：41.2某公司離子膜裝置和硫酸裝置的雷擊案例（電磁感應）控制室硫酸裝置離子膜裝置全部電纜穿金屬管埋地全部電纜用玻璃鋼橋架敷設591.2某公司離子膜裝置和硫酸裝置的雷擊案例（電磁感應）控制雷擊時間：2006年夏雷擊結果：硫酸裝置的控制系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表無損壞；離子膜裝置損壞了許多輸入/輸出卡。整改措施：將離子膜裝置的玻璃鋼走線槽用不銹鋼薄鋼板包裹并隔一定距離接地。60雷擊時間：2006年夏6整改措施不銹鋼板包裹走線槽接地干線61整改措施不銹鋼板包接地干線71.3某化工公司鄰硝裝置案例（反擊）

雷害時間:2004年3月17日.

事故情況:遭受雷擊，現(xiàn)場的多臺變送器（包括德國的E+H液位變送器）和對應的AI卡同時被雷擊壞。

變送器安裝支架自然接地621.3某化工公司鄰硝裝置案例（反擊）雷害時間:2004事故原因：

由于控制系統(tǒng)采用單獨接地，即便變送器的電子線路在現(xiàn)場側沒有工作接地，而且它和變送器的外殼隔有一定間隙（或串接一個反向二極管），但變送器的外殼和金屬安裝支架（或與金屬設備相連）形成了自然接地。當變送器附近的設備或建筑物遭雷擊時，由于地電位的浮動，可以使變送器和控制系統(tǒng)兩處的地電位差達幾萬、幾十萬伏，故通過信號電纜足以將變送器和控制系統(tǒng)的AI卡同時擊穿，或擊穿其中之一。解決方法：

將變送器外殼和控制系統(tǒng)通過共用接地網(wǎng)實現(xiàn)等電位接地。63事故原因：9雷電反擊原理圖變送器DCS150米幾萬、幾十萬伏地電位差地電位分布曲線引下線64雷電反擊原理圖變送器DCS150米幾萬、幾十萬伏地電位差地電1.4

1975年在荷蘭發(fā)生的驚人案例（反擊）

651.41975年在荷蘭發(fā)生的驚人案例（反擊）11雷擊法拉第籠造成對‘法拉第孔’內(nèi)導線的閃絡

電纜RL=1Ω法拉第孔100kA100kV法拉第籠

66雷擊法拉第籠造成對‘法拉第孔’內(nèi)導線的閃絡電纜RL=1Ω法1.5某石蠟加氫裝置案例分析（屏蔽不到位）雷害時間：2004年7月8日下午4點。事故情況：遭受雷擊。使操作站的工控機的主板被雷擊壞。

事故原因：

1）因為工控機所在機柜位于離大窗戶和門口不到0.8米，承受著和室外一樣的電磁場強度。

2）而工控機的外殼沒有屏蔽接地；

3）遭雷擊時，機柜門又半虛掩。

解決方法：首先是工控機的外殼屏蔽接地。其次，將控制室建筑物內(nèi)的鋼筋、金屬門窗等連接起來，進行格柵屏蔽。671.5某石蠟加氫裝置案例分析（屏蔽不到位）雷害時間：200

一點思考：該石油化工企業(yè)和石蠟加氫裝置相距不到30米的催化裂化裝置的DCS控制室，也為單層的獨立建筑物，由于設置了防直擊雷裝置（避雷帶），卻安然無恙。可見防直擊雷裝置對雷擊電磁脈沖（LEMP）有一定的衰減作用。所以，如控制系統(tǒng)所在的控制室是獨立建筑物，其周圍有高大建筑，如用滾球法確定高大建筑接閃器的保護范圍，控制室所在的獨立建筑物在該保護范圍內(nèi)時，雖然控制室所在的獨立建筑物可以不設防直擊雷裝置，但考慮到防直擊雷裝置對雷擊電磁脈沖（LEMP）有一定的衰減作用，所以該建筑物還是宜按《GB50057建筑物防雷設計規(guī)范》中規(guī)定的第三類防雷建筑物采取防直擊雷措施。68一點思考：該石油化工企業(yè)和石蠟加氫裝置相距不到30米的1.6某石化公司瀝青裝置的案例分析雷害時間：2003年7月21日。691.6某石化公司瀝青裝置的案例分析雷害時間：2003年7月某石化總廠瀝青裝置的控制室平面70某石化總廠瀝青裝置的控制室平面16問題1：在雷電的當即，為什么CRT顯示器會發(fā)生黑屏？2秒鐘后為什么又自動恢復？據(jù)現(xiàn)場調查，在遭雷擊時，控制室內(nèi)的UPS沒有發(fā)生停電事故，控制器和操作站的電源開關也沒有斷開過。顯示器黑屏2秒鐘后又恢復到黑屏前的顯示畫面，這說明操作站的主機在黑屏后也沒有重新啟動過（即一直處于通電狀態(tài)）。因此遭成顯示器黑屏的原因只能是強大的雷電電磁脈沖對陰極射線管（CRT）內(nèi)的電子束產(chǎn)生的干擾所至。因為距控制室南墻大窗戶只有3米左右的操作站，承受著和室外一樣的電磁場強度。這種干擾產(chǎn)生的后果是使顯示器失效，而不是破壞。即顯示器在雷電電磁脈沖的作用下，失去正常功能，過2秒鐘干擾消失后又恢復正常。

71問題1：在雷電的當即，為什么CRT顯示器會發(fā)生黑屏？2秒鐘后問題2：為什么連接在I/O信號卡前面的LB900型齊納安全柵卻安然無恙，而I/O卡卻壞了？由齊納安全柵原理圖可知，無論是由非本安端或現(xiàn)場端，當電壓超過一定值時，要過毫秒級的時間（制造商提供的數(shù)據(jù)）后方使齊納二極管VD1、VD2反向擊穿并產(chǎn)生雪崩，從而將能量釋放到地里去。而雷電脈沖的時間是μs級的，遠小于雪崩時間和快速熔斷器FA1的熔斷時間。再則，如果雷電波在金屬導線內(nèi)的的傳輸速度為每秒15萬公里，假定安全柵位于DCS前面3米，則從安全柵到DCS的傳輸時間為20ns。如果一旦有雷電波從現(xiàn)場經(jīng)過安全柵，還未等齊納二極管產(chǎn)生雪崩，雷電波已進入DCS系統(tǒng)，將DCS損壞，把進入的雷電能量釋放掉的同時從而也保護了安全柵。所以為什么雷擊時，I/O卡損壞了，連接在I/O信號卡前面的齊納安全柵卻安然無恙。

72問題2：為什么連接在I/O信號卡前面的LB900型齊納安全齊納安全柵原理圖73齊納安全柵原理圖191.7某石化公司苯酚裝置的案例分析（屏蔽不到位）雷害時間：2004年7月10日下午4點。

DCS機型：美國MOORE公司的APACS型。事故現(xiàn)象：遭雷擊時控制器內(nèi)的EPROM里的程序丟失。原因分析：控制器和所在機柜都沒有屏蔽接地，位于離大窗戶（塑鋼）不到1.8米，承受著和室外一樣的電磁場強度。遭雷擊時，使128K的EPROM內(nèi)的程序丟失。重新下裝后正常。741.7某石化公司苯酚裝置的案例分析（屏蔽不到位）雷害時間：1.8某燃氣公司混配站案例分析雷擊時間：2003年8月10日。事故情況：遭受雷擊的在線控制系統(tǒng)中包括一臺控制混合氣含氧量的控制單元。該氧氣分析裝置是美國TELEDYNE分析儀表公司的327RA型產(chǎn)品，其中包括一臺基于袖珍型燃料電池的分析單元（美國專利U.S.PAT.#3，429，796）和一臺控制單元。由于它對整個混配過程的操作具有舉足輕重的作用，以至雷擊后整個裝置不得不停產(chǎn)，嚴重地影響城市的供氣。

751.8某燃氣公司混配站案例分析雷擊時間：2003年8月10

電子線路分析：我們查閱了控制單元信號輸入部分的電子線路（見圖），并根據(jù)替換下來的損壞件是圖2中的A2（OP07）運算放大器，就可以說明，雷電波（高電位）是通過外部連接電纜從TS6的2-3端，經(jīng)過A1（OP07）運算放大器量程選擇開關的反饋通路直接進入A2（OP07）運算放大器，然后將其擊穿。7622含氧控制單元信號輸入的電子線路圖（局部）

77含氧控制單元信號輸入的電子線路圖（局部）23現(xiàn)場情況分析：該含氧分析儀從安裝在現(xiàn)場的分析單元到控制室內(nèi)的控制單元，總共有7根信號線相連，中間相距約150米，采用的是單層的屏蔽電纜（控制室一端接地）。電纜沿深度為700mm、寬約800mm的水泥地溝內(nèi)敷設，溝內(nèi)的電纜沒有再用金屬管和金屬走線槽保護，即連接電纜沒有采取雙層屏蔽和兩端接地的措施。所經(jīng)之地又有4、5處和建筑物避雷帶引下線的接地點相距很近。雷擊時，通過電磁感應將雷電波帶入控制單元，將其損壞。解決方法：采用雙層屏蔽電纜敷設。78現(xiàn)場情況分析：該含氧分析儀從安裝在現(xiàn)場的分析單元到控制24某燃氣公司混配站的電纜溝電纜溝79某燃氣公司混配站的電纜溝電纜溝25

2DCS雷害的風險評估

8026

概述

風險一般定義為遭受災害和損失的可能性，包括：風險的來源評估；風險的經(jīng)濟損失評估。

要對DCS進行雷害的風險評估，首先要有一個評估的標準。據(jù)查閱，目前涉及雷害風險評估的標準有：氣象行業(yè)標準:氣象信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護規(guī)范[QX3-2000]；國際電信聯(lián)盟標準:通信局站雷電損壞危險的評估[ITU-TK.39]；IEC標準:雷電災荒風險評估[IEC62305]；國家標準:建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范[GB50343-2004]。我們以2004年發(fā)布的IEC標準“雷電災荒風險評估[IEC62305]”和國家標準“建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范[GB50343-2004]”作為評估的參考標準。

81概述風險一般定義為遭受災害和損失的可能性，包括

本文僅討論風險的來源評估。其評估的基本內(nèi)容包括：

1）依據(jù)本地區(qū)的年平均雷暴日和控制室建筑物以及工藝裝置的長、寬、高計算年預計雷擊次數(shù)；

2）依據(jù)電源電纜和I/O電纜等效受雷面積計算進控制室線纜年預計雷擊次數(shù)；

3）計算年預計雷擊總次數(shù)。

4）按防雷裝置的攔截效率確定DCS的雷電防護等級；

5）存在的雷害隱患和改進措施。

82

本文僅討論風險的來源評估。其評估的基本內(nèi)容包括

2.1建筑物年預計雷擊次數(shù)

依據(jù)本地區(qū)的年平均雷暴日和建筑物的長、寬、高計算建筑物年預計雷擊次數(shù)。例：上海地區(qū)實際的年平均雷暴日Td=49.9d/a（歷史數(shù)據(jù)為28.4d/a）

83

2.1建筑物年預計雷擊次數(shù)依據(jù)本地區(qū)的年平均雷暴日計算：（1）雷擊大地的年平均密度即按地區(qū)的年平均雷暴日Td換算成每年每平方公里遭受雷擊的次數(shù)。按最新的[IEC62305]的計算公式為：

Ng=0.1Td=0.1·49.9=5.0次/km2·a（曾經(jīng)用0.023Td1.3、0.024Td1.3來計算，美國現(xiàn)用0.2Td來計算）

84計算：30(2)控制室所在建筑物的等效受雷面積注：

[IEC62305]Ae是這樣計算等效的受雷面積的：通過建筑物頂部與其接觸，將傾斜度為1/3的直線，圍繞建筑物一周后與地面交接的截面積為等效受雷面積（見下圖）。對下圖所示的建筑物，其等效受雷面積為：

Ae=[LW+6H(L+W)+9πH2](m2)

N1=kNgAe·10-6（次/年）式中k為和建筑物所處地理環(huán)境有關的校正系數(shù)，它可以按下表選取。85(2)控制室所在建筑物的等效受雷面積注：[IEC6230

建筑物等效受雷面積1：3LH3HW86建筑物等效受雷面積1：3LH3HW32

如建筑物具有復雜的形狀，例如在屋面上的某個部位具有一定高度的凸出物，可以根據(jù)上述定義用作圖法來計算建筑物的等效受雷面積。此時，一個可以接受的近似算法以最高點的高度的三倍畫一個圓，其圓面積為：

Ae=9πHp2×10-6(km2)

87如建筑物具有復雜的形狀，例如在屋面上的某個部位具有一建筑物(電纜)的相對位置校正系數(shù)k位于山丘或山頂上的孤立建筑物(電纜)2.0孤立建筑物(電纜)：附近沒有其它物體1.0被其它物體或樹所包圍0.588建筑物(電纜)的相對位置校正系數(shù)k位于山丘或山頂上的孤立建筑一點重要的說明：

建筑物年預計雷擊次數(shù)的計算，除了控制室所在建筑物外，還應包括含有變送器、執(zhí)行器等控制設備的工藝廠房或工藝框架。

（計算方法相同）89一點重要的說明：352.2進機柜室I/O電纜年預計雷擊次數(shù)N2的確定[IEC62305]是這樣計算進主控室電纜年預計雷擊次數(shù)N2的：進主控制室電纜年預計雷擊次數(shù)N2為：

N2=k·Ng·Al·10-6

（次/年）式中：k——線路位置的校正系數(shù)，它可以按上表選取。

Al——雷擊電纜的等效受雷面積，它包括雷擊入戶電纜的等效受雷面積Al1和雷擊入戶電纜鄰近區(qū)域的等效受雷面積Al2，即A1=Al1+Al2。902.2進機柜室I/O電纜年預計雷擊次數(shù)N2的確定[IEC表4.6電纜的等效受雷面積Al注：1.Lc是線路從控制室建筑物至現(xiàn)場的第一個分支點或與相鄰建筑物的長度，單位為m，最大值為1000m，當Lc未知時，可假定L=1000m。

2.ρ為埋設電纜的土壤電阻率，最大值可取500Ωm。

3.Ha——線路與工藝裝置相接的高度m；Hb——線路與控制室建筑物相接的高度m；

Hc——線路離地面的高度m。架空敷設埋地敷設雷擊入戶電纜Al16Hc[Lc-3(Ha+Hb)]0.8[Lc-3(Ha+Hb)]ρ1/2雷擊入戶電纜的鄰近區(qū)域Al21000Lc50Lcρ1/291表4.6電纜的等效受雷面積Al架空敷設埋地敷設雷擊入戶電纜2.3按雷擊風險評估DCS的雷電防護等級（1）建筑物及進控制室I/O電纜年預計雷擊次數(shù)N的確定

N=N1+N2+N3=1.275(次/年)（2）可接受的最大年平均雷擊次數(shù)Nc的計算式中：C——各類因子C=C1+C2+C3+C4+C5C1——DCS所在建筑物材料結構因子，鋼筋混凝土結構取1.0；

C2——DCS重要程度因子，集成化程度較高的低電壓微電流設備取3.0；

C3——DCS抗浪涌能力因子，相當弱取3.0；

C4——DCS所在雷電防護區(qū)（LPZ）因子，在LPZ2區(qū)取0.5；

C5——DCS發(fā)生雷擊事故的后果因子，因中斷后會產(chǎn)生嚴重后果取1.5。922.3按雷擊風險評估DCS的雷電防護等級（1）建筑物及進控制系統(tǒng)所在建筑物材料結構因子C1

建筑物材料結構因子金屬結構鋼筋混凝土磚混結構磚木結構木結構c10.51.01.52.02.593控制系統(tǒng)所在建筑物材料結構因子C1

建筑物材料結構因子金屬控制系統(tǒng)重要程度因子C2

控制系統(tǒng)重要程度因子等電位接地及屏蔽較完善的設備使用架空線纜的設備集成化程度較高的低電壓微電流設備c22.51.03.094控制系統(tǒng)重要程度因子C2控制系統(tǒng)等電位接地及屏蔽較完善的設控制系統(tǒng)抗浪涌能力因子C3

控制系統(tǒng)抗浪涌能力因子一般較弱相當弱c30.51.03.095控制系統(tǒng)抗浪涌能力因子C3控制系統(tǒng)抗浪涌能力因子一般較弱相控制系統(tǒng)所在雷電防護區(qū)（LPZ）因子C4

控制系統(tǒng)所在雷電防護區(qū)（LPZ）因子LPZ2區(qū)或以上LPZ1區(qū)內(nèi)LPZB0區(qū)內(nèi)c40.51.01.5～2.0

96控制系統(tǒng)所在雷電防護區(qū)（LPZ）因子C4控制系統(tǒng)所在雷電防控制系統(tǒng)發(fā)生雷擊事故的后果因子C5

控制系統(tǒng)發(fā)生雷擊事故的后果因子中斷后不會產(chǎn)生不良后果中斷后無嚴重后果中斷后會產(chǎn)生嚴重后果C50.51.01.5～2.097控制系統(tǒng)發(fā)生雷擊事故的后果因子C5控制系統(tǒng)發(fā)生中斷后不會中所以

C=1+3+3+0.5+1.5+=9.0

=5.8×10-1.5/9.0=0.0206(次/年)即本裝置DCS因直擊雷和雷電電磁脈沖損壞可接受的年平均最大雷擊次數(shù)每年僅為0.0206次。98所以44（2）防雷裝置攔擊效率E的計算

E=1-Nc/N=1-0.0206/1.275==0.984

根據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范（GB50343-2004）》