分散型控制系统的防雷

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　　摘 要：回顾防雷概念的转变，介绍直击雷、雷电电磁脉冲对DCS的危害，阐述了具体的防雷措施。

　　关键词：直击雷；雷电电磁脉冲；雷电波；屏蔽。

　　1.问题的提出

　　声、光、电现象同时迸发的直击雷，可以击毁其放电通道上的建筑物和生命财产,对此人们已很熟悉，也有较成熟可靠的防护技术。但伴随着雷电产生的雷电电磁脉冲，以电磁感应作用和电流波形式，对近十多年来迅速发展的电子、信息、控制设备的破坏和危害，是上个世纪九十年代以来雷电灾害最显著的特征。它的成灾率更高，损失更大，因而也就成了防雷技术中一个急需解决的重要课题。

　　凡是基于微电子器件的控制设备，都存在着耐压低、对电磁脉冲特别敏感的短处。雷电引起的各种过电压可达数百乃至数千、数万伏，而基于微电子器件系统的耐压值都很低，一般承受不了正负5V的电压波动。美国通用研究公司R·D·希尔用仿真试验建立的模型表明：对无屏蔽的计算机，当雷电电磁脉冲的磁场强度超过0.03×10－4T时，计算机会误动作；当超过2.4×10－4T时，计算机会永久性损坏。所以，如无一定的防护措施，即便是质量很高的信息控制系统，也很难保证在雷击情况下仍然可以安全地运行。

　　我们从调研中得知，进口的控制系统（如应用在某化学公司的美国GE系统，和SMART现场总线等）都曾遭受过雷电的侵害。又根据资料报道，在中国气象部门，像国家气象中心的大型计算机网络、通信系统等要害部门也都曾多次遭遇雷击。

　　我国对于建筑物的防雷已有了比较成熟的认识和规范，国家标准《建筑物防雷设计规范》（GB50057－94，2000年版）较1994年版，在参考了IEC标准后也专门增加了一章《防雷击电磁脉冲》，但对分散型控制系统（DCS）的防雷问题，在概念和系统的实施方面还都处于起步阶段，没有专业的规范和先例可循。为此有必要对这一问题做一探讨，以规范今后DCS工程的防雷设计。

　　2.回顾防雷概念的转变

　　建筑物的防雷是一门古老的技术，但是防雷技术在近二十年发生了很大的变化，其中重要的是在防雷概念上有如下几点转变：

　　1）防雷的重点从人身和电气设备的安全转变为通讯和信息系统的安全。过去建筑物的防雷技术以防直击雷为主，侧重防机械性破坏和雷电反击；现在则以防感应雷击为主，侧重防雷电的电磁感应效应。

　　2）外部的防雷技术从以前的避雷针和避雷带转变为现在的避雷网和法拉第笼；内部的防雷技术从以前的以隔离方式为主转变为现在的以等电位联接方式为主。

　　3）以前检验接地系统是否合格以接地电阻值为准，现在侧重于接地结构兼接地电阻值，特别是从独立接地到等电位联接方式的转变。

　　如上所述，防雷技术和防雷概念虽然有了很大的变化，但直至现在，防雷的理论基础仍然还是安全地引雷入地，闪电是一个电流源（更确切地说是电流波），而不是电压源，防雷装置是给雷电流提供一条或几条低阻抗的接地通道，这些基本概念仍然没变。

　　3.雷电对分散型控制系统危害的形式

　　雷电对分散型控制系统的危害主要是通过直击雷和雷电电磁脉冲干扰（也称雷电波）两种形式。

　　直击雷对分散型控制系统的危害指的是：

　　1）雷电直接击中建筑物或地面上，雷电流沿引下线、接地体流动过程中，在土壤中产生强大的感应电磁场，通过感应耦合到DCS等电子设备内，损坏DCS等电子设备；

　　2）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，会使局部的地电位浮动并产生跨步电压，如果防雷的接地装置是独立的，它和控制系统的接地体没有足够的绝缘距离的话，则它们之间会产生放电，这种现象称为雷电反击，它会对控制室内的DCS系统产生干扰乃至破坏。

　　雷电电磁脉冲干扰指的是由强大的雷闪电流产生的脉冲电磁场，它对DCS系统的干扰有如下两种形式：

　　1）当控制室建筑物的防直击雷装置接闪时，在引下线内会通过强大的瞬间雷电流，如果在引下线周围的一定距离内设有连接DCS系统的电缆（包括电源、通信以及I/O电缆），则引下线内的雷电流会对DCS的电缆产生电磁辐射，将雷电波引入DCS系统，干扰或损坏DCS系统；

　　2）当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进到控制室把过电压传到DCS系统上，就会对DCS系统产生干扰或损坏。

　　此外，当空中携带大量电荷的雷云从控制室上空经过时，由于静电感应使地面某一范围带上异种电荷，当直击雷发生后，云层带电迅速消失，而地面某些范围由于散流电阻大，以至出现局部高电位，它会对周围的导线或金属物产生影响，这种静电感应电压也会对DCS系统产生干扰或损坏。

　　根据我们的调查，上述几种的雷电干扰形式，最严重的干扰源是：

　　＊直击雷造成的地电位浮动而导致的雷电反击。

　　＊引下线中雷电流的电磁辐射将雷电波通过附近的I/O电缆、通信电缆以及电源电缆带入DCS系统。

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　　4.分散型控制系统及控制室防雷的主要措施

　　根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057－94，2000年版）的规定，建筑物应根据其重要性、使用性、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为第一类防雷建筑物、第二类防雷建筑物和第三类防雷建筑物。第一类要求最高，第二类次之。DCS控制室如果和生产装置在同一建筑物内，其防直击雷设施应连同生产装置的特点综合确定和设计。如果DCS控制室是独立的建筑物，应按该规范规定的第三类防雷建筑物的标准设防。

　　将控制室的墙和屋面内的钢筋、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接，使控制室形成一个法拉第笼，可以减少受电磁脉冲的影响。飞行器内的电子设备由于和飞行器的金属外壳作了等电位联接，因此免受雷电的影响就是这个缘故。然而控制室毕竟不同于飞行器，它有许多电缆和控制室的外部相联，因此也要对从室外进入控制室的各种电缆采取屏蔽措施，特别是在那些容易被雷电波侵入的地方。

　　这里有必要对电缆的屏蔽问题作一强调和说明。国家石油和化学工业局于2000年发布的《仪表系统接地设计规定》（HG/T 20513－2000）对屏蔽电缆的接地，原则上是规定一端接地，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，无助于阻碍雷电波的侵入。为了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，外层屏蔽应至少在两端作等电位联接。在这种情况下外屏蔽层与其它同样做了等电位联接的导体构成了环路，感应出一电流，因此产生减低源磁场强度的磁通，从而基本上可抵消无外层屏蔽层时所感应的电压。为此，可以利用金属走线槽或穿金属管作为第二屏蔽层并用两端接地的方法来实现。从防雷的角度来看，走线槽应选择金属材质，而不应选用环氧树脂。

　　调研中我们还发现，凡室外电缆埋地敷设的，且埋地深度在大于0.6米时，几乎不会将雷电波带入DCS系统，对防雷是非常有利的。

　　将DCS系统和防雷系统的接地系统进行等电位联接后，即使受到雷电反击，但由于它们之间不存在电位差，所以不可能通过雷电反击构成对电子元件的威胁。等电位联接是DCS系统免遭雷击的重要措施。如果DCS系统无法和防雷系统的接地系统进行等电位联接时，根据《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T 16－92）的规定，两接地系统的距离不宜小于20米。在进行工程设计时，当有电缆靠近引下线敷设时，必须考虑电缆和引下线间保持2米以上的距离。《建筑物防雷设计规范》对此规定了该距离的计算公式。

　　电涌保护器（SPD）是一种限制瞬态过电压和分走电涌电流的器件。按其在DCS中的用途可分为电源防雷器、I/O信号防雷器和通讯线路防雷器三种。当有连接电缆从室外或其他系统进入控制室时，装设SPD可以防护电子设备免遭雷电浪涌的闪击。但是，如果所有的I/O通道都装设SPD，成本将大幅度上升；再则，控制系统遭雷击的概率毕竟很低，不能强调万无一失，否则从经济观点出发就太浪费了。因此在DCS系统里如何选用SPD，我们将做出具体而明确的规定。

　　5.结束语

　　一个装置的DCS系统防雷设计必须因地制宜地考虑所处的地理位置和环境、年雷暴日的多少以及系统规模的大小。采取一定的防雷措施，防止或减少因雷击导致系统、设备的故障和损坏，做到安全可靠、技术先进、经济合理。

　　参考文献：

　　〔1〕 《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—94，2000年版）〔S〕。

　　〔2〕 《通信局（站）雷电压过电压保护工程设计规范》（YD 5098－2001）〔S〕。

　　〔3〕 《民用建筑物电气设计规范》（JGJ/T 16—92）〔S〕。

　　〔4〕 《建筑物防雷设计》（第二版）〔M〕，王时煦等，北京，中国建筑工业出版社，1985。

　　〔5〕 《现代防雷技术基础》〔M〕，虞昊等，北京，气象出版社，1995。

　　〔6〕 《建筑物防雷的变与不变》〔J〕，马宏达，建筑电气，2002，2,26－27。

　　〔7〕 《建筑物防雷中的屏蔽问题》〔J〕，马宏达，建筑电气，2001，1,37－41。

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