淺談火力發(fā)電廠熱工控制系統(tǒng)的防雷措施
2004年夏天，上海地區(qū)雷電頻發(fā)，共有3個火電廠的熱工控制系統(tǒng)及外圍熱工控制系統(tǒng)遭受雷電入侵而受到不同程度的損壞，這是上海地區(qū)近十幾年來發(fā)電廠遭受雷害最多、熱工控制系統(tǒng)損壞最嚴重、影響最大的一年。
案例1：2004年7月6日、8日,某電廠4臺300MW機組遭受2次雷害,瞬間造成4臺機組全部退出AGC運行方式;其中3號機組A側(cè)引風機軸承溫度躍升十幾度(最高達87℃并發(fā)出“軸承溫度高”報警)險些誤跳風機;雷害使化水樓周邊壓力和溫度變送器損壞10多臺,損壞化水程控模塊3塊、打印機、交換機等多臺。
案例2：2004年8月4日,某電廠350MW機組遭強雷電截擊,雷后強大的雷電脈沖通過電源及信號電纜造成1號機組4塊DCS的I/O模塊損壞、2號機組2塊模塊損壞;外圍水處理系統(tǒng)7臺壓力、溫度變送器損壞;0號機組有20點軸承監(jiān)測溫度出現(xiàn)異常升高而產(chǎn)生誤報警;另造成制氧1號高壓氮壓縮機電機軸承溫升至連鎖動作值而跳壓縮機。
案例3：2004年8月22日,某自備電廠外圍化水設備遭受雷電侵害,造成1個化水液位計、5臺壓力變送器損壞,通過信號電纜傳導造成More熱工控制系統(tǒng)2塊I/O模塊損壞、部分程序丟失,還造成部分供熱用戶蒸汽流量表計損壞。
分析發(fā)現(xiàn),這3起雷害都是在寬廣的場地引發(fā)的,并通過信號或電源電纜等將感應雷過電壓或強雷電脈沖等導致熱工控制系統(tǒng)損壞。從對現(xiàn)場露天安裝熱控表計檢查發(fā)現(xiàn),外殼接地不嚴格(以安裝支架作為接地)、接地線松動、接虛及接地線脫落等現(xiàn)象比較普遍。
一、雷害及其入侵熱工控制系統(tǒng)的途徑
夏季,常常會發(fā)生閃電打雷的自然現(xiàn)象。當大氣中云的不同部位、云與云之間或云與地面不同性質(zhì)電荷差達到一定程度時,就會發(fā)生擊穿空氣的放電現(xiàn)象,就這是閃電。閃電通道上的空氣由于高溫而急速膨脹引起爆裂,發(fā)出的聲音就是雷聲。
有了雷電就有可能產(chǎn)生雷擊,即發(fā)生一種雷雨云中釋放電能擊中物質(zhì)而造成損失的災害現(xiàn)象。人們往往比較重視直接雷擊的危害,對感應雷害卻存在認識上的誤區(qū)。
所謂感應雷害,是指雷電的靜電感應、電磁感應、過電壓波、電磁輻射等。隨著現(xiàn)代社會電子、通信、計算機控制技術的迅速發(fā)展,雷擊災害正從“直擊雷害”向“感應雷害”轉(zhuǎn)變,且頻率越來越高,危害越來越大。據(jù)德國一家重要的電子保險公司統(tǒng)計,由于電涌(主要是雷電放電)對電子設備和系統(tǒng)的電磁干擾而造成的損壞賠償費在十年內(nèi)翻了兩番。僅1990年就因電涌造成的電子設備與系統(tǒng)的損失超過10億馬克。
相對于熱工控制系統(tǒng),雷雨產(chǎn)生浪涌(沖擊)電壓的主要途徑有以下3個方面：①直擊雷于外部線路注入大電流流過接地電阻或外部線路阻抗而產(chǎn)生的浪涌電壓;②雷擊產(chǎn)生的電磁場在熱工控制系統(tǒng)外部線纜上產(chǎn)生的感應電壓和感應電流,即所謂間接雷擊;③附近直接對地放電的雷電入地電流耦合到熱工控制系統(tǒng)接地系統(tǒng)的公共接地路徑上。
從調(diào)查情況看,雷電波(高電位)大多通過那些敷設不規(guī)范的線纜(包括I/O信號電纜通信電纜和電源電纜等)進入并導致熱工控制系統(tǒng)發(fā)生異常、故障甚至損壞。
1.1 建筑物外的侵入
(1)雷電遠點襲擊電力線。雷電首先擊在電力線上,通過電力線直接擊穿用電設備的電子元件,從而影響熱工控制系統(tǒng)的供電。
(2)雷電近點電力線的入侵。實際上是雷電襲擊用電設備所在的建筑物避雷針,引起雷電電磁脈沖。除通過避雷引線、水管、金屬門窗等與地面有連接的金屬物質(zhì)的雷電流外,剩下的部分將擊穿UPS輸出和輸入對地線端,從而影響熱工控制系統(tǒng)的供電和網(wǎng)絡設備。
(3)錯相位雷擊。如果一個高能量雷打在一條火線上,而另一個低能量雷打在另一條火線上,線線之間會產(chǎn)生電壓差侵入用電設備。直接影響三相UPS、熱工控制系統(tǒng)及整個熱工控制系統(tǒng)的供電。
1.2 建筑物內(nèi)感應雷擊
雷電對熱工控制系統(tǒng)的危害主要是通過直擊雷和雷電電磁脈沖干擾兩2種形式。
(1)雷電直接擊中建筑物或地面,雷電流沿引下線、接地體流動過程中產(chǎn)生強大的感應電磁場,通過感應耦合到熱工控制系統(tǒng)而損壞其電子元器件。另外,控制室建筑物的防直擊雷裝置在接閃時,強大的瞬間雷電流通過引下線流入接地裝置,會使局部地電位浮動并產(chǎn)生跨步電壓,若防雷接地裝置是獨立的,它和熱工控制系統(tǒng)的接地體沒有足夠的絕緣距離,它們之間會放電(稱為雷電反擊)而對熱工控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾或破壞。
(2)雷電電磁脈沖干擾是指強大的雷閃電流產(chǎn)生的脈沖電磁場,它對熱工控制系統(tǒng)的干擾有;
a)控制室建筑物的防直擊雷裝置接閃時,引下線會通過強大的瞬間雷電流,如在引下線一定距離內(nèi)有連接熱工控制系統(tǒng)的電源及I/O電纜等,則引下線內(nèi)的雷電流會對這些電纜產(chǎn)生電磁輻射,將雷電波流引入熱工控制系統(tǒng)損壞I/O模塊;
b)控制室周圍發(fā)生雷擊放電時,會在各種金屬管道、電纜線路上產(chǎn)生感應電壓。如果這些管道和線路引入到控制室把過電壓傳導到熱工控制系統(tǒng)上,也會對熱工控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾或損壞。
二、熱工控制系統(tǒng)及控制室防雷主要措施
人們認為安裝了避雷針就能防避所有雷害,其實這是片面的。幾百年前發(fā)明的避雷針只能預防直擊雷,對感應雷害毫無作用。由于缺少科學常識和認識誤區(qū),致使某些單位對電子、控制、計算機等設施尚無任何預防感應雷害的措施,致使這些企業(yè)的設施雷害頻發(fā)。
試驗證實,0.24mT的電磁波沖擊就能造成電子設備的直接損壞,0.003mT的電磁波沖擊就能造成電子設備的誤動。因此,自20世紀90年代起,IEC先后頒布了一系列防雷標準。我國頒布了GB50057-1994《建筑物防雷設計規(guī)范》的國家標準,該標準第6章專門規(guī)定了“防雷擊電磁脈沖”的要求,表明防雷技術已引起國內(nèi)各行業(yè)的重視。
2.1 控制室及外圍的防雷
雷電對熱工控制系統(tǒng)破壞的原因在于其巨大的、遠遠超出控制設備所能承受的浪涌電流、電壓。阻止和減少浪涌電流侵入熱工控制系統(tǒng)是預防雷電危害的關鍵。由于熱工控制系統(tǒng)通常放置在建筑物下,已在建筑物防雷系統(tǒng)的保護下,所受的危害不是直擊雷,而是由于雷的電磁效應所產(chǎn)生的浪涌電流(亦稱感應雷)。感應雷的產(chǎn)生可以分為：
1)電阻耦合：雷擊導致附近的地電勢急劇升高,若該地區(qū)控制、電氣設備與遠離雷擊點的建筑內(nèi)的設備有電纜連接,因電纜的電阻小于土地的電阻,浪涌電流就會在電纜中產(chǎn)生,從而危害兩端的控制設備。
2)電感耦合：雷擊使建筑物外部防雷設備的導體上產(chǎn)生巨大的瞬間電磁場,使建筑物內(nèi)的電纜感應生成有害電壓產(chǎn)生浪涌電流。
3)電容耦合：空中的高電壓供電線很容易遇到雷擊,雖然其本身的高壓浪涌保護裝置泄放了大量的能量,仍有相當多的能量由于其自身的高頻特性以電容耦合的方式通過變壓器進入建筑物的供電系統(tǒng),危害電子設備。
IEC-61312《雷電電磁脈沖的防護》對雷電保護區(qū)的劃分提出了圖1所示的原則性建議。
一個欲保護的區(qū)域,從EMC(電磁兼容)的觀點來看,由外到內(nèi)可分為幾級保護區(qū),最外層是0級,危險性最高;我國大多數(shù)情況下的機房,就與0區(qū)僅一墻之隔,即只有一層屏蔽,則該機房內(nèi)空間定為1區(qū);各電子設備的外殼為一層屏蔽層,可視機殼內(nèi)的空間為2區(qū)等。越往內(nèi)部,危險程度越低,過壓主要是沿線穿過的,保護區(qū)的界面通過外部防雷系統(tǒng)、鋼筋混凝土及金屬管道等構成的屏蔽層面形成。穿過各級雷電保護區(qū)的金屬構件,一般應在保護區(qū)的分界面做等電位聯(lián)接。
GB50057-1994按防雷要求分為一、二、三類防雷建筑物。一類要求最高;二類次之。熱控控制室如果和生產(chǎn)設備在同一建筑物內(nèi),其防直擊雷設施應根據(jù)生產(chǎn)設備的特點綜合確定和設計。如果熱控控制室是獨立的建筑物,應按該標準規(guī)定的三類防雷建筑物的標準設防。
將控制室的墻和層面內(nèi)鋼筋、金屬門窗等進行等電位聯(lián)接,并與防直擊雷的接地裝置相聯(lián),使控制室形成一個法拉第籠,可減少雷電磁脈沖的影響?？刂剖矣性S多電纜和外部相聯(lián),因此要對從室外進入控制室的各種電纜采取屏蔽措施,對容易被雷電波侵入的地方更應重視,只有堵死一切雷電導入的端口,才能有效保護熱工控制系統(tǒng)設備免受雷電的侵害。
2.2 熱工控制系統(tǒng)的防雷
現(xiàn)代防雷技術的理論基礎在于;閃電是電流源,防雷的基本途徑就是要提供一條雷電流(包括雷電電磁脈沖輻射)對地泄放的合理的阻抗路徑,而不能讓其隨機地選擇放電通道,簡而言之就是要控制雷電能量的泄放與轉(zhuǎn)換。現(xiàn)代防雷保護的三道防線為：①外部保護：將絕大部分雷電流直接引入大地泄散;②內(nèi)部保護：阻塞沿電源線或數(shù)據(jù)線、信號線侵入的雷電波危害設備;③過電壓保護：限制被保護設備上的雷電過電壓幅值。
然而,在熱工控制系統(tǒng)應用中最不清楚但又必須解決的問題也許就是接地問題。不僅很多用戶不清楚,甚至有的熱工控制系統(tǒng)廠家也未必很清楚。各熱工控制系統(tǒng)廠家為保證系統(tǒng)能在各種復雜的應用現(xiàn)場正常運行,提出的接地要求也各不相同,不但概念比較籠統(tǒng)、模糊,且對接地的具體技術要求也存在較大差異,有的很苛刻,有的則相對較寬松。如有的DCS對內(nèi)部交流地、邏輯地、系統(tǒng)地是不區(qū)分的,當電源的3根線(相線、零線、地線)接到機柜的配電盒時,即完成了系統(tǒng)接地。而有的DCS則采用1個接地點且與電氣網(wǎng)共地方式。還有的DCS的安全地采用就地接大地或接入?yún)R集板(總接地板),而系統(tǒng)地(直流工作地)則采用匯集板接地方式。但不管有何差異,用戶應注意如下2點：
(1)保護接地：熱工控制系統(tǒng)均有一個保護地,該保護地一般在機柜和其它設備設計加工時已在內(nèi)部接好,有的系統(tǒng)已將該保護地在內(nèi)部同電源進線的保護地(三芯插頭的中間頭)連在一起,有的不允許將保護地同該線相連,用戶一定要仔細閱讀廠家提供的接地安裝說明書。不管哪種方式,保護接地必須將一臺設備上所有的外設或系統(tǒng)的保護接地連在一起,然后用較粗的絕緣銅導線將各站的保護接地連在一起,再從一點上與大地接地系統(tǒng)相連。
(2)屏蔽地(模擬地)：是所有接地中要求最高的一種。幾乎所有的熱工控制系統(tǒng)都提出屏蔽地一點接地,且接地電阻小于1Ω。在熱工控制系統(tǒng)機柜內(nèi)部都安置了屏蔽地匯流排,用戶在接線時將屏蔽線分別接到屏蔽地匯流排上,在機柜底部,用紙緣的銅辮連到一點,然后將各機柜的匯流點再用絕緣的銅辮或銅條以輻射狀連到接地點上。大多數(shù)的熱工控制系統(tǒng)不僅要求各機柜屏蔽地對地電阻小于1Ω,且各機柜間的電阻也要小于1Ω。
HG/T20513-2000(儀表系統(tǒng)接地設計規(guī)定)對屏蔽電纜的接地原則上要求一端接地,另一端懸空。但單端接地只能防靜電感應,不能防磁場強度變化所感應的電壓,阻礙雷電波的侵入。為減少屏蔽芯線的感應電壓,僅在屏蔽層一端做等電位聯(lián)接的情況下,應采用有絕緣隔開的雙層屏蔽,外層屏蔽(如用金屬走線槽或穿線金屬管作為第二屏蔽層)應至少在兩端做等電位聯(lián)接。從防雷角度看,走線槽及穿線金屬管應選擇金屬材質(zhì)而不應選用環(huán)氧樹脂等絕緣材料。
要將熱工控制系統(tǒng)的接地系統(tǒng)和防雷電系統(tǒng)的接地系統(tǒng)進行等地位聯(lián)接,即使受到雷電反擊,由于它們之間不存在電位差,所以不可能通過雷電反擊構成對電子元件的威脅。空中飛行的飛機是一個很好的例子?？罩械脑茖邮抢纂姷陌l(fā)源地,飛機穿行其中,飛機中的人員安全、各種設備工作正常,這是因為其整體的金屬外殼使它成為一個等電位體,雷電產(chǎn)生的浪涌電流不能進入飛機內(nèi)部。因此等電位聯(lián)接是熱工控制系統(tǒng)免遭雷擊的重要措施。
關于等電位聯(lián)接的概念,我國最早于1958年底建造人民大會堂時基于防雷要求提出的,這比國外早18年(英國的R.H.Golde1977年才在名著《雷電》一書中談到)。由于等電位聯(lián)接減小了系統(tǒng)內(nèi)各金屬部件和各系統(tǒng)間的電位差,無論是從防雷的角度或是從減小熱工控制系統(tǒng)的共模干擾來看,這都是十分有益的。
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