雷击导致机组热控保护动作的原因分析及防范

众所周知，DCS和热控仪表由于耐压低，对电磁脉冲十分敏感，因此，雷电产生的雷电电磁脉冲对其的干扰和损害时及其严重的，近年来省内电厂几次雷击导致热控保护误动机组跳闸的事故，使电厂造成了很大的经济损失。 1 两起 DCS遭雷击事故案例 1．1 某电厂 2号机组因雷击导致 2号机组跳闸 2004年 8月 4日，某电厂 1号机组(300MW于 0时 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号机组于 1时分因“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，且电流较大(通过雷电定位系统测定雷击发生时最大一次为 197 kA)，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号机组电气油开关信号误发锅 炉 MFF 2005年6月18日23时，某电厂7号机组负荷 180 MW ，AGC、一次调频投运正常，三套制粉系统 运行，l6台给粉机投运，天气雷雨交加。23时 l5 分 l9秒 MRF动作信号发出，1 S后甲给粉总电源 跳 ，按熄火处理。通过查 询历史 曲线及操作记录发现，使 MFr 动作的原因是 电气油开关信号(BD1043)在 23时15分 17秒出现一个 2 s的脉冲，通过 2 s延时，直 接造成 MFr动作 (电气油开关跳是 MFr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 m)，存 在耦合电容作用，恰好 23时 l5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。 上述 2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 ’等电位联接后接人防雷接地系统，既使受到雷电反 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 m。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 nl以上的距离。《建筑物电子信息系统防雷技术规范》  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 (接人防雷地)，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，并接人防雷接地 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(见图2)。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  。 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 。 图2 双层屏蔽的防雷原理 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接到 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)进行 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： ①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。 ②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。 ③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号机组 因 DCS和 DEH采用的信号取自2707开关非同一付接点，DEH未受到干扰 ，而 DCS受到 干扰 发生了 MFT，故可 以从 DE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 M盯 的逻辑中延时模块由2 s改为 3 s。 4  结语 为了防止或减少因雷击导致现场仪表及 DC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。