1 两起DCS遭雷击事故案例
1.1 某电厂#2机组因雷击导致#2机组跳闸
2004年8月4日，某电厂#1机组（300MW）于0:59分A引风机跳闸，引发辅机故障减负荷功能（RB）动作，机组负荷迫降；#2机组于1:02分因“炉膛压力高”锅炉MFT动作，造成机组跳闸。经分析确定，此次事故原因是由于8月4日1时左右，烟囱周围区域有较强雷电活动，且雷电流较大（通过雷电定位系统测定雷击发生时最大一次为197kA），如此强大雷电流在通过烟囱引入大地时，会产生极大的感应电势，对1A、1B、2A、2B引风机处的热控弱电系统造成干扰，导致1A、1B、2A、2B引风机风机轴承温度元件、电机轴承温度元件、入口静叶执行器反馈板损坏，包括这些信号所对应的DCS输入卡件也有不同程度的损坏，继而导致引风机跳闸和机组跳闸。按照设计要求热控信号电缆必须单端接地，此种接地方式对于低频信号干扰有较好的屏蔽作用，但对雷电这样的高频信号干扰屏蔽作用不大。尤其是此次雷电袭击强度较大，现有的接地防范措施难以抵御。
1.2 某电厂#7机组电气油开关信号误发锅炉MFT
2005年6月18日23时，某电厂＃7机组负荷180MW，AGC、一次调频投运正常，三套制粉系统运行，16台给粉机投运。天气雷雨交加。23:15:19秒MFT动作信号发出，1秒后甲给粉总电源跳闸，按熄火处理。
通过查询历史曲线及操作记录：使MFT动作的原因，是电气油开关信号（BDI043）在23:15:17秒出现一个2秒的脉冲，通过2秒延时，直接造成MFT动作（电气油开关跳闸是MFT动作条件之一）。首出原因显示电气主开关跳闸。经电气检查，2707开关提供给DCS用的辅助接点是A、B、C三相常闭接点串联，只有开关三相全部断开，“油开关跳闸”信号才能发出，实际没有出现，且无异常现象。由于该信号电缆长（达600～700米），存在耦合电容作用，恰好23:15分有强雷电发生，产生感应，是信号误发的原因（同一DI卡件的其它信号均正常）。
2 雷电侵入仪控系统的途径
雷电对火电厂仪表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。主要是通过以下的几种耦合途径给仪控系统带来危害的：
（1） 直击雷造成的地电位浮动而导致的雷电反击。控制系统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。
（2） 当控制系统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（高电位）引入DCS系统，干扰或损坏DCS系统；
（3） 当控制系统周围发生雷击放电时，空间辐射的电磁场会在各种金属管道、电缆线路上产生感应电压（包括电磁感应和静电感应），从而使仪控系统失效或损坏。
3 仪表及DCS系统防雷的主要措施
今后几年将是火电机组新建和投产的高峰期，如果能在热控工程的设计阶段就予以考虑仪表及DCS的防雷措施，是提高火电厂仪控系统抗雷击能力的有效方法。应对以下几点给予充分的考虑：
（1） 接地
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。目前火电厂热工仪表控制系统的接地主要有两种措施：浮地、多点接地。
· 浮地是指仪表的工作地与建筑物的接地系统保持绝缘，这样建筑物接地系统中的电磁干扰就不会传导到仪表系统中，地电位的变化对仪表系统也无影响。但由于仪表的外壳要进行保护接地，当雷电较强时，仪表外壳与其内部电子电路之间可能出现很高的电压，将两者之间绝缘间隙击穿，造成电子线路损坏。
· 多点接地是指DCS、仪表（变送器、执行器等）、PLC 等设备的工作接地与保护接地分开，这种接地方式的突出优点是可以就近接地，接地线的寄生电感小。但是如果较强的雷电波通过保护地进入系统，电子电路同样会因承受高压而损坏。
因此上述两种接地方式都不能满足防雷的需要。因此，应考虑将保护地与工作地相连接，即对DCS系统以及和它相连的变送器、执行器等必须采用等电位接地，DCS系统应和公用接地系统实现单点接地。这样DCS系统和防雷系统的接地系统进行等电位联接后接入防雷接地系统，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）[1]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。《建筑物电子信息系统防雷技术规范》[2]对此规定了该距离的计算公式。火电厂热工仪表控制系统的接地系统可参照图1设计。
图1 火电厂热工仪表控制系统的接地
（2） 屏蔽
火电厂仪控系统大量采用半导体器件、集成电路和传递信号的电缆，由雷击产生的瞬态电磁脉冲可以直接辐射到这些元器件上，也可以在电源或信号线上感应出瞬态过电压波，沿线路侵入电子设备，使电子设备工作失灵或损坏。利用屏蔽体来阻挡或衰减电磁脉冲的能量传播是一种有效的防护措施。仪控系统的防雷屏蔽主要包括三个方面：控制室屏蔽、现场仪表屏蔽、信号线和电源线屏蔽。
· 控制室屏蔽
控制室（电子间）是DCS系统的心脏，对雷电产生的电磁脉冲十分敏感，需要特别注意其屏蔽问题。控制室应是无窗的封闭结构，将房屋墙壁中的结构钢筋交点处电气连接，并与金属门框焊接，构成一个带门开口的屏蔽笼，在室内沿墙壁四周再做一圈保护接地环（接入防雷地），接地环与屏蔽笼进行有效的电气连接。
· 现场仪表屏蔽
现场仪表（变送器、执行器等）可采用金属的仪表箱（罩）实现防雷屏蔽，仪表箱（罩）要与其它现场的金属设施实现等电位连接，并接入防雷接地系统。
· 信号线和电源线屏蔽
为了防止雷电电磁脉冲在信号或电源线路上感应出瞬态过电压波，所有的信号线及低压电源线都应采用有金属屏蔽层的电缆。
对信号电缆的屏蔽接地，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（即电容性耦合），不能防磁场强度变化所感应的电压（即电感性耦合），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（即两点接地）。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（如图2所示）。为此，也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。作为传输模拟信号回路的控制电缆和屏蔽层作为信号返回回路的同轴电缆，其屏蔽层宜采用集中一点接地方式，不得两点接地[3]。
图2 双层屏蔽的防雷原理
当电缆屏蔽层采用一点接地时，其接地点应根据信号源和接收端是否接地来确定；选择两点接地时，应考虑在暂态电流作用下电缆屏蔽层不致被烧熔。
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；另外对外部的电缆，如I/O电缆、电源电缆、通信电缆在室外的敷设段应尽量采用埋地方式，以形成线路
屏蔽，减少雷击可能。
（3） DCS的电源系统要采用TN-S系统的接地方式，以保证控制系统的金属外壳（如机柜）在正常运行时不带电位。
TN-S系统有五根线，即三根相线A、B、C、一根中性线N及一根保护线PE，仅电力系统一点接地，用电设备的外露可导电部分按到PE线上。TN-S系统的特点是，中性线N与保护接地线PE除在变压器中性点共同接地外，两线不再有任何的电气连接。中性线N是带电的，而PE线不带电。该接地系统完全具备安全和可靠的基准电位。其优点是PE线上在正常工作时不呈现电流，因此设备的外露可导电部分也不呈现对地电压，有较强的电磁适应性。
（4） 在进行电缆走线桥架和控制柜位置设计时要尽量避免靠近建筑物防直接雷装置的引下线，控制柜和操作站也要和窗户、门口保持一定的距离。
（5） 按实用性、发生雷击事故的可能性和后果，在必要的地方合理配置浪涌吸收器（SPD）。SPD是一种限制瞬态过电压和分走电涌电流的器件，它在最短时间内将线路上因感应雷产生的浪涌电流释放到地网，使建筑物内各点之间电位差大致不变，从而保护设备。
（6） DCS选型时，必须要考虑它的电磁兼容性（EMC）指标，特别是浪涌抗扰度和脉冲磁场抗扰度。
此外，要认真按照电力行业和其它行业有关规程标准要求，做好接地系统的定期维护保养工作，特别是在每年雷电到来前应做好:
· 对全厂接地网的完好程度、接地电阻大小等进行检测，如DCS系统等电位连接、屏蔽的情况，确认DCS系统接地、屏蔽状况符合设计要求，烟囱接地与主网接地的地下部分距离是否符合设计要求等。对投产多年的电厂，有必要开展接地网寿命周期、DCS雷击损害的风险评估等工作，发现问题及时整改。
· 认真检查露天安装控制设备（变送器、执行器、液位计、压力开关等）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。
· 完善保护控制逻辑，尽量减少保护误动的可能性。如某电厂#7机组因DCS和DEH采用的信号取自2707开关非同一副接点，DEH未受到干扰，而DCS受到干扰发生了MFT，故可以从DEH引入另一路油开关信号，两路进行与逻辑运算后再进入MFT；电气油开关跳MFT的逻辑中延时模块由2秒改为3秒。
4 结语
为了防止或减少因雷击导致现场仪表及DCS系统的故障和损坏，确保DCS及机组的可靠稳定运行，在遵守有关国家及行业标准的基础上，要对整个仪控系统根据等电位连接的原则加以设计，从控制室、DCS I/O模件、现场仪表、仪表信号电缆和电源线等多方面综合考虑，采用接闪、均压、接地、屏蔽等多种措施，同时需要电气、建筑、热控等专业协同合作来实现。除了考虑系统安全性以外，还要考虑投资的成本、运行的经济性，做到安全可靠、技术先进、经济合理。
参考文献:
[1] JGJ/T 16-92. 民用建筑物电气设计规范[S].
[2] GB 50343-2004. 建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].
[3] 田海宾. 控制电缆屏蔽层接地方式探讨[J]. 山西电力,2004,（2）:66～67.
[4] DL/T 5190.5-2004. 电力建设施工及验收技术规范第5部分：热工自动化[S].
[5] GB 50093-2002. 自动化仪表工程施工及验收规范[S].
[6] HG/T 20513-2000. 仪表系统接地设计规定[S].
[7] 张庆超. 集散控制系统的雷击与防护[J]. 化工自动化及仪表,2004, 31（3）: 67～68.
编辑：何世平
