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雷電是一種自然放電現象，它具有極大的破壞力，對人類的生命、財產安全造成巨大的危害。尤其是基于大規模微電子器件的熱控儀表與分散控制系統（DCS），耐壓低，對電磁脈沖特別敏感。伴隨著雷電產生的雷電電磁脈沖，以電磁感應作用和電流波形式，引起的各種過電壓可達數百乃至數千、數萬伏，使儀表與控制系統遭受雷擊干擾和損害的可能性日趨增多。近年來安徽省內電廠幾次雷擊導致熱控保護誤動機組跳閘的事故，使電廠造成了很大的經濟損失。
1 兩起DCS遭雷擊事故案例
1.1 某電廠#2機組因雷擊導致#2機組跳閘
2004年8月4日，某電廠#1機組（300MW）于0:59分A引風機跳閘，引發輔機故障減負荷功能（RB）動作，機組負荷迫降；#2機組于1:02分因“爐膛壓力高”鍋爐MFT動作，造成機組跳閘。經分析確定，此次事故原因是由于8月4日1時左右，煙囪周圍區域有較強雷電活動，且雷電流較大（通過雷電定位系統測定雷擊發生時最大一次為197kA），如此強大雷電流在通過煙囪引入大地時，會產生極大的感應電勢，對1A、1B、2A、2B引風機處的熱控弱電系統造成干擾，導致1A、1B、2A、2B引風機風機軸承溫度元件、電機軸承溫度元件、入口靜葉執行器反饋板損壞，包括這些信號所對應的DCS輸入卡件也有不同程度的損壞，繼而導致引風機跳閘和機組跳閘。按照設計要求熱控信號電纜必須單端接地，此種接地方式對于低頻信號干擾有較好的屏蔽作用，但對雷電這樣的高頻信號干擾屏蔽作用不大。尤其是此次雷電襲擊強度較大，現有的接地防范措施難以抵御。
1.2 某電廠#7機組電氣油開關信號誤發鍋爐MFT
2005年6月18日23時，某電廠＃7機組負荷180MW，AGC、一次調頻投運正常，三套制粉系統運行，16臺給粉機投運。天氣雷雨交加。23:15:19秒MFT動作信號發出，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動作的原因，是電氣油開關信號（BDI043）在23:15:17秒出現一個2秒的脈沖，通過2秒延時，直接造成MFT動作（電氣油開關跳閘是MFT動作條件之一）。首出原因顯示電氣主開關跳閘。經電氣檢查，2707開關提供給DCS用的輔助接點是A、B、C三相常閉接點串聯，只有開關三相全部斷開，“油開關跳閘”信號才能發出，實際沒有出現，且無異常現象。由于該信號電纜長（達600～700米），存在耦合電容作用，恰好23:15分有強雷電發生，產生感應，是信號誤發的原因（同一DI卡件的其它信號均正常）。
2 雷電侵入儀控系統的途徑
雷電對火電廠儀表控制系統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帶來危害的：
(1) 直擊雷造成的地電位浮動而導致的雷電反擊。控制系統建筑物的防直擊雷裝置在接閃時，強大的瞬間雷電流通過引下線流入接地裝置，會使局部的地電位浮動并產生跨步電壓，如果防雷的接地裝置是獨立的，它和控制系統的接地體沒有足夠的絕緣距離的話，則它們之間會產生放電，這種現象稱為雷電反擊，它會對控制室內的DCS系統產生干擾乃至破壞。
(2) 當控制系統建筑物的防直擊雷裝置接閃時，在引下線內會通過強大的瞬間雷電流，如果在引下線周圍的一定距離內設有連接DCS系統的電纜（包括電源、通信以及I/O電纜），則引下線內的雷電流會對DCS的電纜產生電磁輻射，將雷電波（高電位）引入DCS系統，干擾或損壞DCS系統；
(3) 當控制系統周圍發生雷擊放電時，空間輻射的電磁場會在各種金屬管道、電纜線路上產生感應電壓（包括電磁感應和靜電感應），從而使儀控系統失效或損壞。
3 儀表及DCS系統防雷的主要措施
今后幾年將是火電機組新建和投產的高峰期，如果能在熱控工程的設計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抗雷擊能力的有效方法。應對以下幾點給予充分的考慮：
(1) 接地
DCS應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的接地主要有兩種措施：浮地、多點接地。
? 浮地是指儀表的工作地與建筑物的接地系統保持絕緣，這樣建筑物接地系統中的電磁干擾就不會傳導到儀表系統中，地電位的變化對儀表系統也無影響。但由于儀表的外殼要進行保護接地，當雷電較強時，儀表外殼與其內部電子電路之間可能出現很高的電壓，將兩者之間絕緣間隙擊穿，造成電子線路損壞。
? 多點接地是指DCS、儀表（變送器、執行器等）、PLC 等設備的工作接地與保護接地分開，這種接地方式的突出優點是可以就近接地，接地線的寄生電感小。但是如果較強的雷電波通過保護地進入系統，電子電路同樣會因承受高壓而損壞。
因此上述兩種接地方式都不能滿足防雷的需要。因此，應考慮將保護地與工作地相連接，即對DCS系統以及和它相連的變送器、執行器等必須采用等電位接地，DCS系統應和公用接地系統實現單點接地。這樣DCS系統和防雷系統的接地系統進行等電位聯接后接入防雷接地系統，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成對電子元件的威脅。等電位聯接是DCS系統免遭雷擊的重要措施。如果DCS系統無法和防雷系統的接地系統進行等電位聯接時，根據《民用建筑電氣設計規范》（JGJ/T 16-92）[1]的規定，兩接地系統的距離不宜小于20米。在進行工程設計時，當有電纜靠近引下線敷設時，必須考慮電纜和引下線間保持2米以上的距離。《建筑物電子信息系統防雷技術規范》[2]對此規定了該距離的計算公式。火電廠熱工儀表控制系統的接地系統可參照圖1設計。
圖1 火電廠熱工儀表控制系統的接地
(2) 屏蔽
火電廠儀控系統大量采用半導體器件、集成電路和傳遞信號的電纜，由雷擊產生的瞬態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線上感應出瞬態過電壓波，沿線路侵入電子設備，使電子設備工作失靈或損壞。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措施。儀控系統的防雷屏蔽主要包括三個方面：控制室屏蔽、現場儀表屏蔽、信號線和電源線屏蔽。
? 控制室屏蔽
控制室（電子間）是DCS系統的心臟，對雷電產生的電磁脈沖十分敏感，需要特別注意其屏蔽問題。控制室應是無窗的封閉結構，將房屋墻壁中的結構鋼筋交點處電氣連接，并與金屬門框焊接，構成一個帶門開口的屏蔽籠，在室內沿墻壁四周再做一圈保護接地環（接入防雷地），接地環與屏蔽籠進行有效的電氣連接。
? 現場儀表屏蔽
現場儀表（變送器、執行器等）可采用金屬的儀表箱（罩）實現防雷屏蔽，儀表箱（罩）要與其它現場的金屬設施實現等電位連接，并接入防雷接地系統。
? 信號線和電源線屏蔽
為了防止雷電電磁脈沖在信號或電源線路上感應出瞬態過電壓波，所有的信號線及低壓電源線都應采用有金屬屏蔽層的電纜。
對信號電纜的屏蔽接地，原則上是規定一端接地，另一端懸空。但單端接地只能防靜電感應（即電容性耦合），不能防磁場強度變化所感應的電壓（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電壓，僅在屏蔽層一端做等電位聯接的情況下，應采用有絕緣隔開的雙層屏蔽，外層屏蔽應至少在兩端作等電位聯接（即兩點接地）。在這種情況下外屏蔽層與其它同樣做了等電位聯接的導體構成了環路，感應出一電流，因此產生減低源磁場強度的磁通，從而基本上可抵消無外層屏蔽層時所感應的電壓（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現。作為傳輸模擬信號回路的控制電纜和屏蔽層作為信號返回回路的同軸電纜，其屏蔽層宜采用集中一點接地方式，不得兩點接地[3]。
圖2 雙層屏蔽的防雷原理
當電纜屏蔽層采用一點接地時，其接地點應根據信號源和接收端是否接地來確定；選擇兩點接地時，應考慮在暫態電流作用下電纜屏蔽層不致被燒熔。
從防雷的角度來看，走線槽應選擇金屬材質，而不應選用環氧樹脂；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段應盡量采用埋地方式，以形成線路
屏蔽，減少雷擊可能。
(3) DCS的電源系統要采用TN-S系統的接地方式，以保證控制系統的金屬外殼（如機柜）在正常運行時不帶電位。
TN-S系統有五根線，即三根相線A、B、C、一根中性線N及一根保護線PE，僅電力系統一點接地，用電設備的外露可導電部分按到PE線上。TN-S系統的特點是，中性線N與保護接地線PE除在變壓器中性點共同接地外，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。該接地系統完全具備安全和可靠的基準電位。其優點是PE線上在正常工作時不呈現電流，因此設備的外露可導電部分也不呈現對地電壓，有較強的電磁適應性。
(4) 在進行電纜走線橋架和控制柜位置設計時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。
(5) 按實用性、發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是一種限制瞬態過電壓和分走電涌電流的器件，它在最短時間內將線路上因感應雷產生的浪涌電流釋放到地網，使建筑物內各點之間電位差大致不變，從而保護設備。
(6) DCS選型時，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。
此外，要認真按照電力行業和其它行業有關規程標準要求，做好接地系統的定期維護保養工作，特別是在每年雷電到來前應做好:
? 對全廠接地網的完好程度、接地電阻大小等進行檢測，如DCS系統等電位連接、屏蔽的情況，確認DCS系統接地、屏蔽狀況符合設計要求，煙囪接地與主網接地的地下部分距離是否符合設計要求等。對投產多年的電廠，有必要開展接地網壽命周期、DCS雷擊損害的風險評估等工作，發現問題及時整改。
? 認真檢查露天安裝控制設備（變送器、執行器、液位計、壓力開關等）殼體、屏蔽電纜、走線槽等接地狀況，嚴防接地線纜松動、虛接、脫落、接地電阻過大等異常情況的發生。
? 完善保護控制邏輯，盡量減少保護誤動的可能性。如某電廠#7機組因DCS和DEH采用的信號取自2707開關非同一副接點，DEH未受到干擾，而DCS受到干擾發生了MFT，故可以從DEH引入另一路油開關信號，兩路進行與邏輯運算后再進入MFT；電氣油開關跳MFT的邏輯中延時模塊由2秒改為3秒。
4 結語
為了防止或減少因雷擊導致現場儀表及DCS系統的故障和損壞，確保DCS及機組的可靠穩定運行，在遵守有關國家及行業標準的基礎上，要對整個儀控系統根據等電位連接的原則加以設計，從控制室、DCS I/O模件、現場儀表、儀表信號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，同時需要電氣、建筑、熱控等專業協同合作來實現。除了考慮系統安全性以外，還要考慮投資的成本、運行的經濟性，做到安全可靠、技術先進、經濟合理。
參考文獻:
[1] JGJ/T 16-92. 民用建筑物電氣設計規范[S].
[2] GB 50343-2004. 建筑物電子信息系統防雷技術規范[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. 電力建設施工及驗收技術規范第5部分：熱工自動化[S].
[5] GB 50093-2002. 自動化儀表工程施工及驗收規范[S].
[6] HG/T 20513-2000. 儀表系統接地設計規定[S].
[7] 張慶超. 集散控制系統的雷擊與防護[J]. 化工自動化及儀表,2004, 31(3): 67～68.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號