DCS系统中的防雷设计

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1、第四届全国石油和化学工业仪表及自动化技术交流研讨会论文集DCS系统设计中的防雷设计庄文浩胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司257026摘要:(随着分散型控制系统(DCS)在工业中的应用日趋增多，它遭受雷击干扰和破坏的程度也逐渐上升，即便是进口的控制系统也不能幸免。为了提高DCS系统的安全性，建立优良的生产控制平台，在DCS系统设计时应用先进的防雷技术成为设计重点。本文以大牛地气田开发先导性试验地面建设工程2#集气站雷击事故为例，介绍了防雷在DCS系统中的设计构成及其重要性。)关健词sDCS防雷设计屏蔽等电位连接接地1雷电对DCS控

2、制系统的危害雷电是一种自然现象，它具有极大的破坏力。随着近年来电子技术的飞速发展，分散型控制系统(DCS)的网络化程度越来越高，而电子元器件的微型化、集成化程度越来越高，各类电子设备的耐过电压能力下降，遭雷电和过电压破坏的比例呈不断上升的趋势，对设备与系统的安全运行造成严重威胁。而对DCS系统来说，防雷减灾的重点是防雷电电磁脉冲。雷电电磁脉冲是天空打雷时，由强大的雷闪电流产生脉冲电磁场而形成的。雷电电磁脉冲是一种电磁干扰源，其感应范围很大，对各种设备和DCS及子系统的电子信息元件产生巨大损害。从20世纪90年代中期起，国际电工委员会

3、编制的防雷规范已将雷击电磁脉冲作为专项内容作出规定，如《国际防雷技术指南)(IEC/TC-81.1024.1)和《防雷击电磁脉冲)(IEC61312)，另外在《建筑物的电气设施)(IEC-60364)的标准中也涉及了防雷击电磁脉冲的实施。《建筑物防雷设计规范》(GB50057-94)(2000年版)在参考上述IEC标准的基础上，作出了局部的修订，增加了第6章“防雷击电磁脉冲”。之后，《建筑物电子信息系统防雷技术规范》(GB50343-2004)出版，这一方面说明防雷电电磁脉冲已引起国内外各行业的重视和关注，另一方面也促使防雷电电磁脉

4、冲技术有了较快的发展。雷电电磁波主要以下列形式对DCS控制系统和仪表的电子元件产生干扰和损坏:1)当DCS控制室建筑物的防直击雷装置接闪时，强大的瞬间雷电流对控制室内仪表、控制系统线路和电子设备产生干扰或损坏。2)当空中携有大量电荷的雷云从DCS控制室上空经过时，雷云之间放电所形成的雷电波的电磁辐射，对控制室内的线路及电子元件产生干扰或损坏。3)当DCS控制室周围发生雷击放电时，会在各种管道、线路上感应电压。若这些管路和线路引进控制室使过电压传到控制室内电子元件上，便对其造成干扰或损坏。石油化工站厂控制室安装了以计算机为主的大量电子

5、设备，组成了站厂DCS控制中心。这些电子类设备耐压值很低，若超过其耐压值就可能发生击穿而损坏。DCS及子系统、仪表所采用的模拟量信号多为毫安或毫伏级，因而极易受干扰。雷电引起的各种过电压可达数百或数千伏以上，大大超过电子元件的耐压值和允许的干扰值，则必然损坏仪表设备或扰乱控制系统，以致造成装置停产。2雷击案例分析2004年7月巧日下午3时，大牛地气田开发先导性试验地面建设工程2#集气站发生雷击事故，造成了DCS系统较大的损坏，现场装置停车，对生产造成了较大的影响。DCS系统雷击主要损坏情况如下:1)控制室内流量计算机不能正常工作，计

6、算机系统不能读取流量计算机数据;2)现场计量区差压变送器损坏;安全与可靠性3)外输计量区旋进漩涡流量计损坏;压力变送器、温度变送器损坏;4)露点分析仪内220VAC-24VDC转换模块损坏，现场无信号输出。2.1大牛地集气站的防雷措施在设计时，按照《电子计算机房防雷设计规范》及《建筑物防雷设计规范》的要求，DCS机房防雷设计采用了交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地等共用接地装置，其接地电阻按其中最小值确定;接地系统的建设采用如下措施:1)在监控楼地基外围，设有4X40mm扁钢带埋设接地网，同时每隔3-5m打一地桩，地

7、桩采用5X5X50mm角钢，长2.5m。避雷针的引下线沿对角方向布设。2)在监控楼房顶设有环形避雷带，并与接地网相连。3)监控系统电缆采用了双屏蔽层电缆并穿金属套管，并采用埋地敷设的形式内屏蔽层采取了机房侧一端接地。4)在监控机房的电缆沟内，设有4X40mm的接地扁钢，将机房内所有的工作地、安全地、电缆屏蔽层等等，均接在该汇流排上，同时接至地网。2.2原因分析经过我公司和中石化华北分公司大牛地2#集气站工作人员进行现场基本测试和调查，分析了雷击仪表设备的分布及损坏情况，初步看出:1)因为损坏的现场自控仪表设备的点多面广，且自控仪表设

8、备内部无明显的雷电流热毁坏的痕迹，露点分析仪电源模块的印刷电路板虽有烧痕，但是，从其屏蔽金属版上的多点烧痕，可以推断，此次雷击事故非雷电直击集气站设施所引致，而是由于强大的雷击集气站外附近，放电产生强大的电磁波，在监控系统信号线上感应