防雷案例和风险评估培训教材ppt课件

1、控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评价Research analysis and risk assessment of lightning stroke events for control systems 1.本部分的主要内容1 DCS遭雷击的典型案例；2 DCS雷害的风险评价；3 从“亡羊补牢到“防患于未然。2.前言 经过对遭雷害的控制系统进展案例分析和风险评价，使我们逐渐清楚： 1雷电是经过什么耦合途径给控制系统带来危害的； 2如何进展控制系统雷害的风险评价； 3自动化的工程环境对控制系统防雷有着举足轻重的影响。3.1 控制系统遭雷击的典型案例4.1.1 某污水处置安装雷击案例雷害时间

2、：2002年6月28日.现场情况： 空阔、潮湿、有高压输电线，是明显的引雷点。 该安装的DCS在厂长办公室内设立了一个监控站，从控制室到厂长办公室的通讯电缆，在室外大约有6米一段长度是和建筑物的避雷带相距仅100mm平行敷设的 。事故情况： 由于避雷带中的雷电流经过电磁感应，将高电位沿着通讯电缆引入系统，将两端的网卡击穿。5避雷带通讯电缆.处理方法： 方案一：拉开间隔。将通讯电缆重新敷设，坚持和避雷带、引下线起码要相隔2米以上的间隔。同时还应在金属走线槽的两端接地，槽与槽之间坚持良好的电气衔接。 方案二：改用光纤通讯。这当然是处理问题的一种方案，但在敷设光缆时同样也要留意光缆金属部分的防雷。一

3、点思索： 该安装的一切I/O信号电缆全部在0.8米以下并用金属走线槽或穿金属管埋地敷设，所以听凭雷击，一切的I/O卡都安然无恙。 这就引起我们的思索-关于信号传输线的双层屏蔽为什么能起到防雷的作用。6.1.2 某公司离子膜安装和硫酸安装的雷击事故分析7控制室硫酸安装离子膜安装全部电缆穿管埋地全部电缆用玻璃钢桥架敷设.雷击时间：2006年夏雷击结果：硫酸安装的控制系统和现场仪表无损坏；离子膜安装损坏了许多输入/输出卡。整改措施：将离子膜安装的玻璃钢走线槽用不锈钢薄钢板包裹并隔一定间隔接地。8.9不锈钢板包裹走线槽接地干线.1.3 某化工公司邻硝安装案例分析 雷害时间:2004年3月17日. 事故

4、情况:蒙受雷击，现场的多台变送器包括德国的E+H液位变送器和对应的AI卡同时被雷击坏。 10变送器安装支架自然接地.事故缘由： 由于控制系统采用单独接地，即使变送器的电子线路在现场侧没有任务接地，而且它和变送器的外壳隔有一定间隙或串接一个反向二极管，但变送器的外壳和金属安装支架或与金属设备相连形成了自然接地。当变送器附近的设备或建筑物遭雷击时，由于地电位的浮动，可以使变送器和控制系统两处的地电位差达几万、几十万伏，故经过信号电缆足以将变送器和控制系统的AI卡同时击穿，或击穿其中之一详细要视设备和导线的分压比。处理方法： 将变送器外壳和控制系统经过共用接地网实现等电位接地。11.雷电还击原理图1

5、2变送器DCS150米几万、几十万伏地电位差地电位分布曲线引下线.1.4 在荷兰发生的惊人1975年案例 13.雷击法拉第笼呵斥对法拉第孔内导线的闪络 14电缆RL=1法拉第孔100kA100kV法拉第笼 .1.5 某石蜡加氢安装案例分析雷害时间：2004年7月8日下午4点。事故情况：蒙受雷击。使操作站的工控机的主板被雷击坏。 事故缘由： 由于工控机所在机柜位于离大窗户和门口不到0.8米，接受着和室外一样的电磁场强度。而工控机的外壳没有屏蔽接地，遭雷击时，机柜门又半虚掩。 处理方法： 首先是工控机的外壳屏蔽接地。其次，将控制室建筑物内的钢筋、金属门窗等衔接起来，进展格栅屏蔽。15. 一点思索：

6、该石油化工企业和石蜡加氢安装相距不到30米的催化裂化安装的DCS控制室，也为单层的独立建筑物，由于设置了防直击雷安装避雷带，却安然无恙。可见防直击雷安装对雷击电磁脉冲LEMP有一定的衰减作用。所以，如控制系统所在的控制室是独立建筑物，其周围有高大建筑，如用滚球法确定高大建筑接闪器的维护范围，控制室所在的独立建筑物在该维护范围内时，虽然控制室所在的独立建筑物可以不设防直击雷安装，但思索到防直击雷安装对雷击电磁脉冲LEMP有一定的衰减作用，所以该建筑物还是宜按中规定的第三类防雷建筑物采取防直击雷措施。16.1.6 某石化公司沥青安装的案例分析雷害时间：2003年7月21日。17.某石化总厂沥青安装

7、的控制室平面18.问题1：在雷电的当即，为什么CRT显示器会发生黑屏？2秒钟后为什么又自动恢复？ 据现场调查，在遭雷击时，控制室内的UPS没有发生停电事故，控制器和操作站的电源开关也没有断开过。显示器黑屏2秒钟后又恢复到黑屏前的显示画面，这阐明操作站的主机在黑屏后也没有重新启动过即不断处于通电形状。 因此遭成显示器黑屏的缘由只能是强大的雷电电磁脉冲对阴极射线管CRT内的电子束产生的干扰所至。由于距控制室南墙大窗户只需3米左右的操作站，接受着和室外一样的电磁场强度。 这种干扰产生的后果是使显示器失效，而不是破坏。即显示器在雷电电磁脉冲的作用下，失去正常功能，过2秒钟干扰消逝后又恢复正常。 19.

8、问题2：为什么衔接在I/O信号卡前面的LB900 型齐纳平安栅却安然无恙，而I/O卡却坏了？ 由齐纳平安栅原理图可知，无论是由非本安端或现场端，当电压超越一定值时，要过毫秒级的时间制造商提供的数据后方使齐纳二极管VD1、VD2反向击穿并产生雪崩，从而将能量释放到地里去。而雷电脉冲的时间是s级的，远小于雪崩时间和快速熔断器FA1的熔断时间。 再那么，假设雷电波在金属导线内的的传输速度为每秒15万公里，假定平安栅位于DCS前面3米，那么从平安栅到DCS的传输时间为20ns。假设一旦有雷电波从现场经过平安栅，还未等齐纳二极管产生雪崩，雷电波已进入DCS系统，将DCS损坏，把进入的雷电能量释放掉的同时

9、从而也维护了平安栅。所以为什么雷击时，I/O卡损坏了，衔接在I/O信号卡前面的齐纳平安栅却安然无恙。20.齐纳平安栅原理图21.1.7 某石化公司苯酚安装的案例分析雷害时间：2004年7月10日下午4点。 DCS机型：美国MOORE公司的APACS型。事故景象： 遭雷击时控制器内的EPROM里的程序丧失。缘由分析： 由于控制室、控制器和所在机柜都没有屏蔽接地，位于离大窗户塑钢不到1.8米，接受着和室外一样的电磁场强度。遭雷击时，使128K的EPROM内的程序丧失。重新下装后正常。22.1.8 某燃气公司混配站案例分析雷击时间：2003年8月10日。事故情况：蒙受雷击的在线控制系统中包括一台控制

10、混合气含氧量的控制单元。该氧气分析安装是美国TELEDYNE分析仪表公司的327RA型产品，其中包括一台基于袖珍型燃料电池的分析单元美国专利U.S. PAT.#3，429，796和一台控制单元。由于它对整个混配过程的操作具有举足轻重的作用，以致雷击后整个安装不得不停产，严重地影响城市的供气。 23. 电子线路分析：我们查阅了控制单元信号输入部分的电子线路见图，并根据交换下来的损坏件是图2中的A2OP07运算放大器，就可以阐明，雷电波高电位是经过外部衔接电缆从TS6的2-3端，经过A1OP07运算放大器量程选择开关的反响通路直接进入A2OP07运算放大器，然后将其击穿。 24.含氧控制单元信号输

11、入的电子线路图部分 25.现场情况分析：该含氧分析仪从安装在现场的分析单元到控制室内的控制单元，总共有7根信号线相连，中间相距约150米，采用的是单层的屏蔽电缆控制室一端接地。电缆沿深度为700mm、宽约800 mm的水泥地沟内敷设，沟内的电缆没有再用金属管和金属走线槽维护，即衔接电缆没有采取双层屏蔽和两端接地的措施。所经之地又有4、5处和建筑物避雷带引下线的接地点相距很近。雷击时，经过电磁感应将雷电波即高电位带入控制单元，将其损坏。处理方法：采用双层屏蔽电缆敷设。 26.某燃气公司混配站的电缆沟27电缆沟. 2 DCS雷害的风险评价28. 概述 风险普通定义为蒙受灾祸和损失的能够性，或者具有

12、不确定性的能够损失。风险评价就是人们处置风险的一种常用措施。 要对DCS进展雷害的风险评价，首先要有一个评价的规范。据查阅，目前涉及雷害风险评价的规范有：气候行业规范:气候信息系统雷击电磁脉冲防护规范QX3-2000；国际电信联盟规范:通讯局站雷电损坏危险的评价ITU-TK.39；IEC规范:雷电灾荒风险评价IEC 62305；国家规范:建筑物电子信息系统防雷技术规范GB 50343-2004。 我们以2004年发布的IEC规范“雷电灾荒风险评价IEC 62305和国家规范“建筑物电子信息系统防雷技术规范GB 50343-2004作为评价的参考规范。 29. 风险评价应包括风险的来源评价以及风

13、险的损失评价，本文仅讨论风险的来源评价。其评价的根本内容包括： 1根据本地域的年平均雷暴日和控制室建筑物以及工艺安装的长、宽、高计算年估计雷击次数； 2根据电源电缆和I/O电缆等效受雷面积计算进控制室线缆年估计雷击次数； 3计算年估计雷击总次数。 4按防雷安装的拦截效率确定DCS的雷电防护等级； 5存在的雷害隐患和改良措施。 30.2.1 建筑物年估计雷击次数 根据本地域的年平均雷暴日和建筑物的长、宽、高计算建筑物年预计雷击次数。 例：上海地域实践的年平均雷暴日Td=49.9d/aGB为28.4d/a 31.计算： 1雷击大地的年平均密度 即按地域的年平均雷暴日Td换算成每年每平方公里蒙受雷击

14、的次数。 按最新的IEC 62305的计算公式为： Ng=0.1 Td=0.149.9=5.0 次/km2a 32.(2)控制室所在建筑物的等效受雷面积注： IEC 62305 Ae是这样计算等效的受雷面积的： 经过建筑物顶部与其接触，将倾斜度为1/3的直线，围绕建筑物一周后与地面交接的截面积为等效受雷面积见以下图。 对以下图所示的建筑物，其等效受雷面积为： Ae=LW+6H(L+W)+9H2 (m2) N1=k Ng Ae10-6次/年式中k为和建筑物所处地理环境有关的校正系数，它可以按下表选取。33. 建筑物等效受雷面积341：3LH3HW. 如建筑物具有复杂的外形，例如在屋面上的某个部位

15、具有一定高度的凸出物，可以根据上述定义用作图法来计算建筑物的等效受雷面积。此时，一个可以接受的近似算法为： Ae=9Hp210-6 (km2) 35.36建筑物(电缆)的相对位置校正系数k位于山丘或山顶上的孤立建筑物(电缆)2.0孤立建筑物(电缆)：附近没有其它物体1.0被其它物体或树所包围0.5.一点重要的阐明： 建筑物年估计雷击次数的计算，除了控制室所在建筑物外，还应包括含有变送器、执行器等控制设备的工艺厂房或工艺框架。 计算方法一样37.2.2 进机柜室I/O电缆年估计雷击次数N2确实定 IEC 62305是这样计算进主控室电缆年估计雷击次数N2的： 进主控制室电缆年估计雷击次数N2为：

16、 N2= kNgAl10-6 次/年式中：k线路位置的校正系数，它可以按上表选取。 Al雷击电缆的等效受雷面积，它包括雷击入户电缆的等效受雷面积Al1和雷击入户电缆临近区域的等效受雷面积Al2，即A1=Al1+Al2。 38.表4.6 电缆的等效受雷面积Al注：1. Lc是线路从控制室建筑物至现场的第一个分支点或与相邻建筑物的长度，单位为m，最大值为1000m，当Lc未知时，可假定L=1000m。 2.为埋设电缆的土壤电阻率，最大值可取500m。 3.Ha线路与工艺安装相接的高度m； Hb线路与控制室建筑物相接的高度m； Hc线路离地面的高度m。架空敷设埋地敷设雷击入户电缆Al16HcLc-3

17、(Ha+Hb)0.8Lc-3(Ha+Hb) 1/2雷击入户电缆的邻近区域Al21000Lc50Lc1/239.2.3 按雷击风险评价DCS的雷电防护等级1建筑物及进控制室I/O电缆年估计雷击次数N确实定 N= N1+ N2 +N3=1.275(次/年)2可接受的最大年平均雷击次数Nc的计算 式中：C各类因子 C=C1+C2+C3+C4+C5 C1DCS所在建筑物资料构造因子，钢筋混凝土构造取1.0； C2DCS重要程度因子，集成化程度较高的低电压微电流设备取3.0； C3DCS抗浪涌才干因子，相当弱取3.0； C4DCS所在雷电防护区LPZ因子，在LPZ2区取0.5； C5DCS发生雷击事故的

18、后果因子，因中断后会产生严重后果取1.5。40.控制系统所在建筑物资料构造因子C1建筑物材料结构因子 金属结构 钢筋混凝土 砖混结构 砖木结构 木结构 c10.51.01.52.02.541.控制系统重要程度因子C2 控制系统重要程度因子等电位接地及屏蔽较完善的设备使用架空线缆的设备集成化程度较高的低电压微电流设备c22.51.03.042.控制系统抗浪涌才干因子C3 控制系统抗浪涌能力因子一般较弱相当弱c30.51.03.043.控制系统所在雷电防护区LPZ因子C4 控制系统所在雷电防护区（LPZ）因子LPZ2区或以上LPZ1区内LPZB0区内c40.51.01.52.0 44.控制系统发生

19、雷击事故的后果因子C5 控制系统发生雷击事故的后果因子中断后不会产生不良后果中断后无严重后果中断后会产生严重后果C50.51.01.52.045.所以 C=1+3+3+0.5+1.5+=9.0 =5.810-1.5/9.0=0.0206(次/年)即本安装DCS因直击雷和雷电电磁脉冲损坏可接受的年平均最大雷击次数每年仅为0.0206次。46.2防雷安装拦击效率E的计算 E=1-Nc/N=1-0.0206/1.275=0.984 根据第4.2.4条款有关雷电防护等级的规定： 当E0.98时 定为A级； 当0.90E0.98时 定为B级； 当0.80E0.90时 定为C级； 当E0.80时 定为D级

20、。 所以本安装的DCS的雷电防护等级应划为A级，即最高等级。47.2.4 存在的隐患(以某安装为例1存在于接地系统的问题A. DCS系统采用单独接地，但其接地体和建筑物防直击雷的接地体相距仅12米，小于规范规范规定的20米间隔。B.本安装一切现场变送器的外壳和DCS系统都没有等电位接地，而变送器是由于安装支架自然接地的。当变送器附近的设备或建筑物遭雷击时，经过还击可以使变送器和DCS失效或损坏。C.一切机柜的接地汇流排没有采用分类汇总的衔接方法，现有的所谓环路即串联接地衔接，会对各柜间的接地系统产生耦合，这对本安地是绝对不允许的。 48.2存在于线缆敷设的问题 本安装的电缆绝大部分采用环氧树酯

21、走线槽架空敷设的，起不了外层的屏蔽作用。 假设整个工艺安装蒙受雷击的话，空间的雷电电磁场经过电磁感应将高电位经过线缆带入DCS将其损坏，这能够是最主要的缘由。49.3其它存在的问题 A.要关注建筑物防雷安装引下线的详细位置，这对线缆敷设以及盘柜的布置有着举足轻重的影响。B.要核实该DCS的电磁兼容性EMC目的，特别是对防雷有重要影响的浪涌抗扰度目的和脉冲磁场抗扰度目的。由于这牵涉到有否必要对重要的工艺参数的I/O端口加设浪涌吸收器SPD。该安装采用的DCS系统为美国Foxboro公司的I/A系列。50.3 从“亡羊补牢到“防患于未然 51. 无论是雷害的风险评价，或者是案例分析，虽然找出了问题的症结所在，由于是在工程的施工大体完成或开工之后，如要作很大的修正谈何容易,而且这终究是“亡羊补牢。因此，假设能在工程的设计阶段就予以思索DCS的防雷措施，“防患于未然才是处理问题的根本方法。 根据我们