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防雷接地工程

  雷电的表现形式主要有2种,一种是直击雷,是指带电云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。

  直击雷威力巨大,雷电压可达几万伏至几百万伏,瞬间电流可达十几万安,在雷电通路上,物体会被高温烧伤甚至融化;另一种是感应雷,是指当直击雷发生后,带电云层迅速消失,而地面上某些范围由于散流电阻大,出现局部高电压,或由于直击雷放电过程中,强大的脉冲电流对周围的导线或金属物因电磁感应而产生高电压以致发生闪击的现象,统计表明,感应雷引起的事故约占雷害事故的80%~90%。

  1.1 建筑物外的侵入

  (1)雷电远点袭击电力线。雷电首先击在电力线上,通过电力线直接击穿用电设备的电子元件,从而影响DCS的供电。(2)雷电近点电力线的入侵。实际上是雷电袭击用电设备所在的建筑物避雷针,引起雷电电磁脉冲,除通过避雷引线、水管、金属门窗等门地面有迁接的金属物质的雷电流外,剩下的部分将击穿UPS输出和输入对地线端,从而影响DCS的供电和网络设备。(3)错相位雷击。如果一个高能量雷打在一条火线上,而另一个低能量雷打在另一条火线上,线线之间会产生电压差侵入用电设备,直接影响三相UPS、DCS及整个控制系统的供电。

  1.2 建筑物内感应雷击

  雷电对DCS的危击主要是通过直击雷和雷电电磁脉冲干扰2种形式。

  (1)雷电直接击中建筑物或地面,雷电流沿引下线、接地体流功过程中在土壤中产生强大的感应电磁场,通过感应耦合到DCS而损坏其电子元器件。另外,控制室建筑物的防直击雷装置在接闪时,强大的瞬间雷电流通过引下线流入接地装置,会使局部地电位浮动并产生跨步电压,若防雷接地装置是独立的,它和控制系统的接地体没有足够的绝缘距离,它们之间会放电(称为雷电反击)而对DCS的I/0模块产生干扰或破坏,如前述4起雷害中的案例1、4。

  (2)雷电电磁脉冲干扰是指强大的雷闪电流产生的脉冲电磁场,它对DCS的干扰有:a.控制室建筑物的防直击雷装置接闪时,引下线会流过强大的瞬间雷电流,如在引下线一定距离内有连接DCS的电源及I/0电缆等,则引下线内的雷电流会对这些电缆产生电磁辐射,将雷电流引入DCS损坏I/0模块(如前述案例2);b.控制室周围发生雷击放电时,会在各种金属管道、电缆线路上产生感应电压。如果这些管道和线路引入到控制室把过电压传导到DCS上,也会对DCS产生干扰或损坏。

  二、DCS及控制室防雷主要措施

  雷电会产生强大的电磁波,一般0.24mT的电磁波冲击就能造成电子设备的直接损坏,0.003mT的电磁波冲击就能造成电子设备的误动,因此,自20世纪90年代起,IEC先后颁布了文献[1]、[2]等防雷标准。

  如果和生产设备在同一建筑物内,其防直击雷设施应根据生产设备的特点综合确定和设计。如果DCS控制室是独立的建筑物,应按该标准规定的三类防雷建筑物的标准设防。

  将控制室的墙和钢筋、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,使控制室形成一个法拉第笼,可减少雷电磁脉冲的影响[4]。控制室有许多电缆和外部相联,因此要对从室外进入控制室的各种电缆采取屏蔽措施,对容易被雷电波侵入的地方更应重视,只有堵死一切雷电导入的通路,才能有效保护DCS设备免受雷电的侵害。

  2.2  DCS设备的防雷

  DCS应用中最不清楚但又必须解决的问题就是接地问题。不仅很多用户不清楚,甚至有的DCS厂家也未必很清楚。各DCS厂家为保证系统能在各种复杂的应用现场正常运行,提出的接地要求也各不相同,不但概念比较笼统、模糊(如将工作接地和保护接地混为一谈),而且对接地的具体技术要求也存在较大差异,有的很苛刻,有的则相对较宽松,如 I/A Series对内部交流地、逻辑地、系统地是不区分的,当电源的3根线(相线、零线、地线)接到机柜的配电盒时,即完成了系统接地。TELEPERM一ME采用1个接地点且与电气网共地方式。H一3000的安全地采用就地接大地或接入汇集板(总接地板),而系统地(直流工作地)则采用汇集板接地方式。而INFI一90则以大地零电位为参考电位。但不管如何不同,用户应注意如下2点。

  (1)保护接地:DCS的所有设备均有一个保护地,该保护地一般在机柜和其它设备设计加工时已在内部接好,有的系统已将该保护地在内部同电源进线的保护地(三芯插头的中间头)连在一起,有的不允许将保护地同该线相连,用户一定要仔细阅读厂家提供的接地

  安装说明书,不管哪种方式,保护接地必须将一台设备上所有的外设或系统的保护接地连在一起,然后用较粗的绝缘铜导线将各站的保护接地连在一起,再从一点上与大地接地系统相连。

  (2)屏蔽地(模拟地):是所有接地中要求最高的一种。几乎所有的DCS都提出屏蔽地一点接地,且接地电阻小于lΩ。在DCS机柜内部都安置了屏蔽地汇流排,用户在接线时将屏蔽线分别接到屏蔽地汇流排上,在机柜底部,用绝缘的铜辫连到一点,然后将各机柜的汇流点再用绝缘的铜辫或铜条以辐射状连到接地点上。大多数的DCS不仅要求各机柜屏蔽地对地电阻小于lΩ,且各机柜间的电阻也要小于1Ω。

  不同的接地方式对接地电阻的要求也不同。电力部门对DCS接地电阻的要求是:采用独立接地时 接地电阻小于4Ω;采用与电气网共地时接地电阻应小于lΩ;采用防雷地、电气地、DCS地三者共地时应小于0.5Ω,实测结果说明火电厂电气接地网的接地电阻可达到小于0.1Ω。

  对屏蔽电缆的接地原则上要求一端接地,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,不能阻碍雷电波的侵入。为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蔽,外层屏蔽(如用金属走线槽或穿线金属管作为第2屏蔽层)应至少在两端做等电位联接。从防雷角度看,走线糟及穿线金属管应选择金属材质而不应选用环氧树脂等绝缘材料。

  要将DCS的接地系统和防雷电系统的接地系统进行等地位联接,即使受到雷电反击,它们之间因不存在电位差,所以不可能通过雷电反击构成对电子元件的威胁,因此等电位联接是DCS免遭雷击的重要措施。

  企业以太网的防雷是确保网络安全的重要方向,特别是多雷地区一些采用粗缆将各分厂相互连接的企业,雷电经常会造成交换机、计算机及其网络接口卡等设备损坏(如前述案例3)。对这种粗缆遭雷击情况分析表明,凡室外敷设电缆埋地深度在0.6m以上时,几乎不会将雷电波引入网卡,对防雷是非常有利的。

  2.3 防雷接地及布线

  防雷工程的一个重要方面是接地及引下线路的布线问题[4,7],整个工程的防雷效果如何甚至防雷器件能不能发挥作用都与此有关。因为所有的防雷设施都需要通过接地系统把雷电流泄入大地,从而保护设备和人身。如果接地系统做得不好,不但会引起设备故障、烧坏元器件,严重时还将危及工作人员的生命安全。恃别是强功能高价值设备的广泛应用,要求更可靠的接地保护;另一方面由于微电子技术的发展,使现代电子设备要求更低的接地电阻。

  相关技术规范对不同类型的接地系统接地电阻有明确规定,通常在设计时要求:(1)接地连接方式和接地参数并重;(2)以减少或消除同系统中不同性质的接地(如防雷接地、工作地、外壳接地、静电地、信号地等)之间的电位差为目的,选用适当的布线方式;(3)根据地网所在地的接地电阻、土层分布等地质情况,尽量进行准确设计施工。此外,要认真做好接地系统的定期维护保养,特别是在每年雷电到来前应做好:(1)对全厂接地网的完好程度、接地电阻大小等进行检测,对投产多年的电厂,要认真做好接地网寿命周期、接地体腐蚀状况评估,发现问题及时整改;(2)认真检查露天安装控制设备(变送器、液位计等)壳体、屏蔽电缆、走线槽等接地状况,严防接地线缆松动、虚接、脱落、接地电阻过大等异常情况的发生。

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