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控制系统防雷浅谈

文档作者：刘沙文档来源：中国石油化工股份有限公司		点击数：	更新时间： 2021年11月04日
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过程控制实施技术 石 油 化 工 自 动 化，2008，3：81
AUT0M AT10N IN PETRO—CHEMICAL INDUSTRY
控制系统防雷浅谈
刘 沙
(中国石油化工股份有限公司安庆分公司，安徽安庆246001)
摘要：分析了控制系统的常见雷击原因和防护措施，介绍了安庆石化丙烯腈部TS3000控制系统防雷工程改造情况，总
结出通过合理选用浪涌保护器和采取等电位连接、电磁屏蔽、共用接地系统的方式组成的内部防雷装置可有效防止和减少雷电
对控制系统造成的危害。
关键词：控制系统；防雷；过电压
中图分类号：TP273 文献标识码：B 文章编号：1007—7324(2008)03—0081—03
1 引 言
随着技术的进步，以电子设备为主体的控制系
统得到了广泛应用。但同时由于雷击影响，控制系
统因此损坏或工作异常的情况时有发生。由于石油
化工行业的特点，这种情况一旦发生，就会给生产造
成巨大损失。因此，控制系统的防雷工作非常重要。
石化行业控制系统主要有以下特点。
a)绝缘耐压能力远低于普通电力设备，电力
系统普遍使用的避雷设施(避雷器、过电压保护器)
动作后的残压水平往往仍高于控制系统的允许值，
故对控制系统不能起到很好的保护作用。
b)系统信号输入均为弱电信号，抗瞬态电磁
脉冲(瞬态浪涌)影响的能力较差，一旦发生瞬态电
磁脉冲侵入系统的情况，系统易发生异常情况。
c)由于雷电作用时间短(ns)，远小于控制系
统的自检周期(大于100 ms)，故控制系统因受雷
电影响而工作异常时，相关记录有可能不够完善。
2 控制系统常见雷击原因分析
一般情况下，控制系统与外界的联系可分为3
种(如图1所示)。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，最终会通过
这3个途径中一种或几种对设备放电，造成设备损
坏。因此对于任何一个需要保护的空间内的设备，
只要截断空间外界浪涌过电压的进入途径，即可达
到防护的要求。
图1中，控制设备与外界联系的带电金属线缆
是引雷途径，包括：电源线、控制通讯线以及设备的
地线。因此，控制系统设备因雷击损坏，其原因可归
纳为两点：线路传导浪涌过电压及地电位反击。
2．1 线路传导过电压的形式
a)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，室内和建筑物近旁不可能遭受直接
雷击，但若控制系统的电力线、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。
b)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，强大的脉冲电流会在周
围空间产生交变磁场(雷电中心1．5～2 km 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，沿线路产生的过电压窜入设
备，造成设备损坏。
c)电感、电容性负载的启动。即通常所说的
开关操作过电压。电压在极短的时间内发生瞬变，
电压时间特性曲线的陡度(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。
图1 控制系统与外界的联系方式
2．2 地电位反击
根据文献Eli中“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 9／5分配于引入
收稿日期：2008—02一O1。
作者简介：刘 沙(1972一)，男，安徽东至人，1993年毕业于
浙江大学工业自动化专业，现工作于中石化股份有限公司安庆分
公司机动部，任设备管理工程师。
维普资讯 http://www.cqvip.com
石油化工自动化
建筑物的各种外来导电物、电力线、通信控制线的
设备”。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人大地，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，与汇流排
相连的设备外壳电位也随之升高，设备的电力、通信
控制线的低电位与机架或地线之间的高电位存在高
电位差而发生反击放电，从而使电子设备损坏。
3 控制系统应采取的防护措施
防雷措施主要是采用接闪分流、接地、屏蔽、等
电位连接、综合布线和过电压保护六种方法，形成
一个多层次的完整的防护体系[2]。
3．1 线路传导过电压的防护
根据传导过电压形成的3种方式及其传播途
径，对于控制设备的防雷保护可从以下几个方面进
行考虑。
a)电源线路过电压防护。根据IEC防雷分区
原理及石油石化行业中控室的特殊性，其供电线路
过电压的防护可采用3级防雷保护来实现。第1级
电源防雷器一般采用通过工级分类测试实验的电涌
保护器(SPD)；第2级可采用限压型SPD，其核心原
器件为压敏电阻，该电阻具有通流量较大(国内外压
敏电阻的最大通流量为40 kA)、低残压的特点。
b)控制信号线路过电压防护。为达到对设备
的有效保护，依据IEC防雷分区原理：信号部分也
可采用多级保护方式将雷电流幅值降到设备承受
能力范围内。在LPZ0n(直击雷非防护区)、LPZ0
(直击雷防护区)与LPZ (第一防护区)的交界处进
行粗级防雷保护；在LPZ 与LPZ。(第2防护区)
的交界处，采用精细保护防雷器。
c)屏蔽。通过屏蔽，尽量将控制室形成一个
法拉第笼，可有效防止或减少雷电磁场感应。
3．2 地电位反击的防护
对控制系统设备所在建筑物的主要金属构件和
进入建筑物的金属管道，供电线路(含外露可导电部
分)，防雷装置，以及控制系统等实行等电位连接。
实行等电位连接的连接体：金属连接导体；无
法直接连接时而做瞬态等电位连接的SPD。
4 安庆石化丙烯腈部TS3000控制系统防雷工程
改造情况
安庆地区属于多雷区，年雷暴日为44．3 d。在
2006—06—23T14：23和2006～08—24T17：28，丙
烯腈C一101空压机就两次因TS3000系统受雷电
影响工作异常而跳闸。
该空压机2次跳车的情况一样，是该区域当时
受到强雷电影响，雷电产生的瞬态电磁脉冲(瞬态浪
涌)侵入了TS3000系统，造成系统工作瞬间异常，引
起联锁动作，机组跳车。事发时，控制系统交直流电
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；现场仪表工作正常，TS3000系统各卡
件工作运行状态指示正常，无报警指示。仪表未作
处理，直接重新开车，启动运行正常。
事情发生后，技术人员高度重视暴露出的仪表控
制系统的防雷问题，对事发现场进行了仔细分析。
该空压制冷系统所在建筑物地处整个厂区最北
边，仅西北边有较高的生产装置等构筑物遮挡，因而
建筑物遭受直接雷击的可能性极大。该建筑物天面
原已有避雷带[3 (顶部及建筑物四周边缘)，但建筑
物四周为开放式结构，对雷电电磁波侵入的屏蔽能
力较差。在建筑物南北两边设置有均匀分布的8处
接地引下线，经检查测量接地良好。但北边中间及
东边的引下线距控制室控制电缆走线桥架及其设备
保护接地和信号专用接地的距离较近，在直击雷雷
电流泄放时易对附近的控制电缆产生雷电感应。
控制室控制柜设置有独立的设备保护接地和信
号专用接地，间隔不到20 m，未进行瞬态等电位连
接处理，且与建筑物直击雷防护避雷带引下线接地
距离较近，在发生强雷击时容易产生地电位反击，造
成设备的误动甚至损坏。TS3000系统机房控制室
天面设置有避雷带，接地引下线完好，但控制室内的
门窗未有效接地。控制室内控制系统的电源及控制
信号的出入电缆未设置雷电浪涌防护措施。
由以上分析可知，该控制系统的防直击雷措施
较为完善，但对线路传导浪涌过电压及地电位反击
的防范措施不足，存在较大的感应雷击隐患。
根据以上情况，笔者有针对性地对该控制系统
进行了防雷工程改造，主要措施如下。
对控制室电源系统采用三级防雷保护[4]：在
控制室UPS电源总进线空气开关后端，采用1套
Phoenix公司生产的具有自解耦功能的防雷器，进
行B，C两级防雷保护；在220 V AC交流母线分配
回路(共15路)上，采用限压型防雷器，与前级防雷
器配合，进一步降低供电线路中的过电压；在控制
柜24 V直流冗余电源输入端(2路)安装防雷器，
在冗余24 V DC直流电源输出分配回路(5路)安
装电源防雷器。
对控制信号进行全面防护：针对模拟量信号、
数字量(开关量)信号、脉冲信号选用不同类型防雷
器进行防雷防护。
室内等电位连接：由于控制系统工作地独立，
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第3期 刘沙．控制系统防雷浅谈 83
采用地电位保护器来实现正常工作状态下两种保
护地的隔离，雷电过电压产生时瞬态导通，实现瞬
态等电位连接。在防静电地板下采用30 mm×
3 mm铜排沿控制柜方向敷设环型接地等电位带，
将设备的保护工作接地、室内的静电地板金属龙
骨，金属门窗、金属走线架、电力电缆屏蔽层等金属
构件采用16 mm。BVR铜缆压接接地处理。对于
安装在机柜内的电子设备，将固定在机柜底部的汇
流排(PG与sG)作为各自的公共接地参考点。信
号(sG)汇流排通过地电位保护器连接在中控室的
总接地排上。
防雷工程改造实施后取得了良好效果，提高了
该控制系统防雷电干扰的能力。
5 结束语
由于历史原因，以往石化行业相对重视对直
击雷的防护，而对感应雷的危害性重视不够。20
世纪90年代以来，电子化、信息化控制系统在石
化企业得到大量使用，工艺生产对控制系统的依
赖度越来越大。由于种种原因，这些系统往往存
在较大的感应雷击隐患，应该通过针对性的防雷
工程改造以有效地提高控制系统在雷雨气候下
的工作可靠性。
参考文献：
1 GB50057—94(2000年版)，建筑物防雷设计规范
2 IEC1312，雷电电磁脉冲的防护
3 GB50343—2004，建筑物电子信息系统防雷技术规范
4 GA267—2000，计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范
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