DCS遭雷击的案例分析

风险是一个捉摸不定和难以把握的概念，一般定义为遭受灾害和损失的可能性，或者具有不确定性的可能损失。风险评估就是人们处理风险的一种常用措施。要对DCS进行雷害的风险评估，首先要有一个评估算标准。我们以去年发布的国家标准“《建筑物电子信息系统的防雷技术规范》（GB50343—2004）”[1]作为评估的标准，并增加我们认为有必要阐述的存在隐患。风险评估应包括风险的来源评估以及风险的损失评估，本文仅讨论风险的来源评估。现以某石化加氢裂化装置的DCS为例介绍DCS雷害的风险评估。2.1工程环境的描述该装置采用不着DCS系统为美国Foxboro公司的I/A系列。控制室、机柜室和电气设备间（包括变压器和位于三楼的配电间等）为一座钢筋混凝土结构的独立建筑物（长48米，宽15米，高20米），位于工艺装置的北侧，相距约30米。控制室的所在建筑物的四边墙内都衬有1.5mm厚的钢板并屏蔽接地。控制室所在建筑物的顶部采用网状避雷网，利用建筑物墙柱内的结构钢筋作引下线并独立接地。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，小于规范标准规定的20米距离。从控制室通往现场的电缆绝大部分采用环氧树酯走线槽架空敷设。2.2控制室所在建筑物年预计雷击次数N1的计算已知条件：上海地区的年平均雷暴日Td=49.9d/a；控制室所在建筑物的长L=48m、宽W=15m、高H=20mm。计算：（1）雷击大地的平均密度Ng：即按地区的年平均雷暴日Td换算成每年每平方公里遭受雷击的次数。（2）建筑物截收相同雷击次数的等效面积：即把和建筑物的长、宽、高有关的体积换算成截收相同雷击次数的等效面积。（3）控制室所在建筑物年预计雷击次数：N1=k·Ng·Ae式中K为校正系数，它可以按表1选取。现取1.5，所以：N1=1.5×3.87×0.0196=0.114（次/年）即控制室所在建筑物遭雷击雷的可能性是每近九年一次。表1不同建筑物结构或近处地理环境的k值：建筑物结构或所处地理环境校正系数k旷野孤立的建筑物2.0金属屋面的砖木结构建筑物1.7位于潮湿地带、土壤电阻率较小的建筑物1.52.3进控制室I/0电缆年预计雷击次数N2的确定所以：N2=3.87（0+0.3）=1.161（次/年）即进控制室I/0电缆年预计雷击次数是每年1.161次。2.4按雷击风险评估DCS的雷电防护等级（1）控制室所在建筑物以及进控制室I/0电缆年预计雷击次数N的确定：N=N1+N2=0.114+1.161=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+c6，它们各自的取值可参见表2~表7。表2所在建筑材料结构因子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C10.51.01.52.02.5表3DCS重要程度因子C2：DCS重要程度因子等电位及屏蔽完善的设备架空线缆的设备集成化程度较高的低电压微电流设备C22.51.03.0表4DCS抗浪涌能力因子C3：DCS抗浪涌能力因子一般较弱相当弱C30.51.03.0表5DCS所在雷电防护区（LPZ）因子C4：DCS所在雷电防护区（LPZ）因子LPZ2区或以上LPZ1区内LPZB0区内C40.51.01.5~2.0表6DCS发生雷击事故的后果因子C5：DCS发生雷击事故的后果因子中断后不会产生不良后果原则上不允许中断，中断后会产生严重后果C50.51.01.5~2.0表7区域雷暴等级因子C6：区域雷暴等级因子少雷区多雷区高雷区强雷区C60.81.01.21.4现取：C1——DCS所在建筑物材料结构因子，钢筋混凝土结构取1.0；C2——DCS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；C3——DCS抗浪涌能力因子，相当弱取3.0；C4——DCS所在雷电防护区（LPZ）因子，在LPZ2区取0.5；C5——DCS发生雷击事故的后果因子，因中断后会产生严重后果取1.5；C6——区域雷暴等级因子，因该地区为高雷区故取1.2。所以：C=1+3+3+0.5+1.5+1.2=10.2即该装置因直击雷和雷电电磁脉冲引起DCS损坏可接受的年平均最大雷击次数每年仅为0.0182次。（3）防雷装置拦击效率E的计算：由于可接受的最大年平均雷击次数为Nc，则NC/N为同控制室所在建筑物以及进控制室I/0电缆年预计雷击次数N的相比较值，所以1-Nc/N就为防雷装置防雷器应该拦击的相对值，即拦击效率E。根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2004）第4.2.4条款有关雷电防护等级的规定：当E>0.98时,定为A级;当0.90<E≤0.98时，定为B级；当0.80<E≤0.90时，定为C级；当E≤0.80时，定为D级。所以该装置的DCS的雷电防护等级应划为A级，即最高级。2.5存在的隐患从上述的计算中可知，该装置DCS系统每年平均有1.275次遭受雷击的可能，又根据装置和DCS系统的特点，雷电防护等级应为A级，所以有必要找出存在的隐患以便提出可能的改进措施，尽量降低DCS系统遭受雷击的可能性。（1）存在于接地系统的问题：虽然Foxboro公司对I/A系列DCS要求单独接地，但这有悖于我国的国家标准（如GB50343-2004）中的等电位共用接地系统的规定，而我国的这些标准均源于相关的IEC标准。按照国际的通行原则，本可要求供货商按国际标准和国家标准供货并实施工程的，但由于片面地按照制造商的接地要求，给系统带来了如下的几点隐患：A、DCS的单独接地极和建筑物防雷系统的接地极相距小于规范标准规定的20米，一旦机柜室所在的建筑物遭受雷击，由于地电位的浮动，会对DCS造成放电反击，使DCS失效乃至损坏。B、该装置所有现场变送器的外壳都因金属安装支架而自然接地的，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千甚至几万伏，从而使变送器和DCS失效或损坏。C、所有机柜的接地汇流排没有采用分类汇总的连接方法，现有的所谓环路（即串联接地）连接，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。（2）存在于线缆敷设的问题：绝大部分的雷电波都是通过电缆进入DCS的，所以信号传输线的敷设应双层屏蔽，最好是埋地敷设，或利用金属走线槽两端（或每隔30米）接地，以减少雷电电磁辐射的影响。而该装置的电缆绝大部分采用环氧树酯走线槽架空敷设的，起不了外层的屏蔽作用。如该DCS装置遭受雷击的话，这可能是最主要的原因。（3）其他存在的问题：A．要关注建筑物防雷装置引下线的具体位置，这对线缆敷设以及盘柜的布置有着举足轻重的影响[2]。B、要核实该DCS的电磁兼容性（EMS）指标，特别是对防雷有重要影响的浪涌抗扰度指标和脉冲磁场抗扰度指标。因为这牵涉到是否有必要对重要的工艺参数的I/0端口加设浪涌保护器（SPD）[3]。3从“亡羊补牢”到“防患于未然”无论是雷害的风险评估，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，如发现问题后要做很大的修改谈何容易，而且这终究是“亡羊补牢”。因此，如果能在工程的设计阶段就予以考虑DCS的防雷措施，“防患于未然”才是解决问题的根本办法。根据我们的工作经验，特提出下列几个方面，在今后新装置的工程设计阶段就给予充分的考虑。（1）对DCS系统以及和它相连的变送器、执行器等必须采取等电位连接；DCS系统应和公用接地系统实行单点接地，即一个接地基准点（ERP），各接地汇流排应采用分类汇总，汇总点应尽量靠近ERP。（2）对外部的电缆要采用金属材质走线槽，并采用双层屏蔽和接地措施；I/0电缆、电源电缆、通信电缆在室外的敷设段应在双层屏蔽的前提下尽量采用埋地方式，尤其是在进控制室前大于15米的距离内。同时要利用建筑物的结构钢筋、金属门窗等（必要时应加设钢板进行壳体屏蔽，或用金属丝网进行网格屏蔽）将控制室、机柜室形成一个屏蔽的法拉第笼。（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。（4）要避免走线桥架和控制柜靠建筑物防直击雷装雷的引下线，控制柜和操作站也要和窗户、门口保持一定的距离。（5）在进行DCS机型选择时，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。（6）必要的地方应设置