雷击导致仪控系统故障的原因分析及防范

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1、一次工业控制系统雷击原因分析及防护措施辛惠翔张磊（安徽省安庆市气象局安庆246002）摘要本文主要通过对200斤8U24H，安庆地区发生的一次工业控制设备遭受强雷击事故的分析,从线路传导过电压和地电位反击儿个方而阐述分析了工业控制系统雷击发纶的原因及其防护措施。关键词控制系统雷击原因防护措施2006年8月24日17吋23分，中石化集团安庆分公司内烯膳部生产区发生强雷击事故，造成多台空压机跳车。操作站报警窗口停机报警记录信息为16个报警动作，控制机组联锁动作而跳车，造成年间生产中断，损失严重。1事故分析经查当

2、日观测资料显示：雷暴初始吋间出现在16时24分，生成方向为SW,结束吋间在18时28分，消火方向为NE,整个过程历时2小时零4分。并伴冇降水，出现时段在16时35分至18时44分，降水量为49.0mm,瞬时极大风速16.3m/s,II）现时间在17时40分。从当口天气条件口J以看出雷暴发生时间和雷击事故时间完全吻合,但在控制设备发生雷击跳车过程屮，控制系统交肓流电源供电电压正常，未发现供电空气开关跳闸、保险丝熔断的情况，现场勘查情况判断发生直接雷击的可能较小。经进一步勘查发现控制室控制系统的电源及控制信号的

3、出入端电缆均未设置雷电浪涌防护措施，存在较人的感应雷击隐患。通常控制设备与外界的联系途径有三种（图1）,电源线、信号线及设备地线，因而，无论浪涌过电压产生的形式如何，其授终都会通过这三种途径中一种或几种对设备放电，造成设备损坏。因此，控制设备雷击损坏，其原因基本可以归结为两个方面：线路传导浪涌过电压及地电位反击。2防护措施2.1沿线路传导的过电压的防护2」」线路传导过电压的形成2.1」」远点雷电的侵入。远点雷电的侵入对于存在架空线路的系统危害最为严重。处于控制室内部的控制系统由于控制室的保护，室内和建筑物近

4、旁不易遭受直接雷击，但若控制系统内的电力线、控制信号线为架空引入，则在建筑物远处可能遭受直接雷击，沿线路传导的雷电过电压就会侵入设备内部，造成设备损坏。其形成示意图如图2。2通佶信号线图1设备与外界联系的途径：电源线、控制通讯线缆及设备地线2.1.1.2近点雷电磁场感应。当建筑物遭受雷击或在建筑物近旁发生雷击时，强人的脉冲电流会在周围空间产住交变磁场（以雷电屮心1.5km〜2km的范围内都可产生危险的过电压），处于磁场中的导体因此而感应出高电压，沿线路产牛•的过电压窜入设备，造成设备损坏。其形成过程如图3。

5、图2対于架空线缆可能受到直接雷击.或者在远处受到雷击感应产牛•过电压2.1.1.3电感、电容性负载的起动。电感或电容性负载起动，即通常所说的开关操作过电压。电压在极短的时间内发牛瞬变，电压吋间特性曲线的陡度（du/dt）较高，形成幅值较高的脉冲电压加载在供电线路上，沿线路窜入设备，造成设备损坏。其形成原理如图4。近点雷击对设备滞威损坏的途径图3近点雷电磁场感应是近年通信系统设备损坏的主要途径当U0取值为24V时，，适当的L与CSs,加载在设备上端的脉冲电压幅值即可达4000V,这人人超过了脆弱电子设备的耐受

6、能力。2.1.2线路传导过电压的防护根据传导过电压形成的三种方式及其传播途径，对于控制设备的防雷保护可从下而两个方而进行考虑。2.1.2.1电源线路过电压防护。根据IEC防雷分区原理及石油石化中控室的特殊性，其供电线路过电压的防护可采用三级防雷保护来实现（图5）。笫一级电源防雷器一般采用通过I级分类测试实验的SPD；第二级可采川限压型SPD,限压型防雷器其核心原器件为压敏电阻，压敏电阻具有通流量较大（国内外压敏电阻一般情况卞其最大通流量为40KA）,低残压的特点。2.1.2.2控制信号线路过电压防护。为达到

7、对设备的冇效保护，依据IEC防雷分区原理，信号部分也可釆用多级保护方式将雷电流幅值降到设备耐受能力范围内。在LPZO与LPZ1的交界处进行粗级防雷保护；在LPZ1与LPZ2的交界处，采用粹细保护防雷器。一般情况下，许多机房内设备布线都紧靠着建筑物立柱或机架布放，由电磁感应在控制导线上所产生的雷电过电压，远远超过了控制设备的耐压能力。当一长度较长的铜导线位于磁场屮时，前级防雷保护器泄流麻的残压和线阻抗所产生的压降足以对麻级设备造成损坏,因此对于那些耐脉冲能力较差的重要控制设备，导线长度超过30米时，需考虑再加

8、装一级防雷器。2.2地电位反击及其防护2.2.1地电位反击。根据GB50057-94（2000版）笫6.3.4条“…全部的雷电流的50%流入建筑物防雷装置的接地装置，其另50%分配于引入建筑物的各种外来导电物、电力线、通信控制线的设备。”从图6中可以看出当建筑物遭受雷击时，约有50%的雷电流通过建筑物地网泄入人地，另外约有50%的雷电流通过与等电位带相连接的接地导线进入设备。因此当雷击发生时，地网电位被抬升，与汇