第4-2章案例和风险评估.ppt

1,DCS遭雷击的案例分析和 雷害的风险评估,徐义亨 浙江中控技术有限公司,2,本部分的主要内容,1 DCS遭雷击的典型案例； 2 DCS雷害的风险评估； 3 从“亡羊补牢”到“防患于未然”。,3,前言,我公司在近四年来对遭雷害的DCS进行案例分析和风 险评估，使我们逐渐清楚： 1）雷电是通过什么耦合途径给DCS带来危害的； 2）如何进行控制系统雷害的风险评估； 3）自动化的工程环境对DCS防雷有着举足轻重的影响； 4）应提高DCS本身的电磁兼容性（EMC）。,4,1 DCS遭雷击的典型案例,5,1.1 某污水处理装置雷击案例,雷害时间：2002年6月28日. 现场情况： 空旷、潮湿、有高压输电 线，是明显的引雷点。 该装置的DCS在厂长办公室 内设立了一个监控站，从控制室 到厂长办公室的通信电缆，在室 外大概有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通过 电磁感应，将高电位沿着通信电 缆引入系统，将两端的网卡击 穿。,6,解决方法： 方案一：拉开距离。将通信电缆重新敷设，保持和避雷带、引 下线起码要相隔2米以上的距离。同时还应在金属走线槽的两端接 地，槽与槽之间保持良好的电气连接。 方案二：改用光纤通信。这当然是解决问题的一种方案，但在 敷设光缆时同样也要注意光缆金属部分的防雷。 一点思考： 该装置的所有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，所以任凭雷击，所有的I/O卡都安然无恙。 这就引起我们的思考-关于信号传输线的双层屏蔽为什么能 起到防雷的作用。,7,1.2 某化工公司邻硝装置案例分析,雷害时间:2004年3月17日. 事故情况:遭受雷击，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。,8,事故原因： 由于控制系统采用单独接地，即便变送器的电子线路在现场侧没 有工作接地，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，故通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（具体要视设备和导线的分压比）。 解决方法： 将变送器外壳和控制系统实现等电位接地。,9,雷电反击原理图,变送器,DCS,150米,几万、几十万伏地电位差,地电位分布曲线,引下线,10,1.3 某石蜡加氢装置案例分析,雷害时间：2004年7月8日下午4 点。 事故情况：遭受雷击。使操作站 的工控机的主板被雷击坏。,事故原因： 因为工控机所在机柜位于离大窗户和门口不到0.8米，承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。 解决方法： 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、金属门窗等连接起来，进行格栅屏蔽。,11,1.4 某石化公司沥青装置的案例分析,雷害时间：2003年7月21日。,12,某石化总厂沥青装置的控制室平面,13,问题1：在雷电的当即，为什么显示器会发生黑屏？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，这说明操作站的主机在黑屏后也没有 重新启动过（即一直处于通电状态）。 因此遭成显示器黑屏的原因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。因为距控制室南墙大 窗户只有3米左右的操作站，承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秒钟干扰消失后又恢 复正常。,14,问题2：为什么连接在I/O信号卡前面的LB900 型齐纳安全栅却安然 无恙，而I/O卡却坏了？ 由齐纳安全栅原理图可知，无论是由非本安端或现场端，当电 压超过一定值时，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。 再则，如果雷电波在金属导线内的的传输速度为每秒15万公 里，假定安全栅位于DCS前面3米，则从安全栅到DCS的传输时间为 20ns。如果一旦有雷电波从现场经过安全栅，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 放掉的同时从而也保护了安全栅。所以为什么雷击时，I/O卡损坏 了，连接在I/O信号卡前面的齐纳安全栅却安然无恙。,15,齐纳安全栅原理图,16,1.5 某石化公司苯酚装置的案例分析,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。 事故现象： 遭雷击时控制器内的EPROM里的程序丢失。 原因分析： 因为控制室、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，承受着和室外一样的电磁场强度。遭雷击时，使128K的EPROM内的程序丢失。重新下装后正常。,17,1.6 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：遭受雷击的在线控制系统中包括一台控制混合气含氧量 的控制单元。该氧气分析装置是美国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，以至雷击后整个装置不得不停产，严 重地影响城市的供气。,18,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），并根据替换下来的损坏件是图2中的A2（OP07）运算放大 器，就可以说明，雷电波（高电位）是通过外部连接电缆从TS6的2- 3端，经过A1（OP07）运算放大器量程选择开关的反馈通路直接进入 A2（OP07）运算放大器，然后将其击穿。,19,含氧控制单元信号输入的电子线路图（局部）,20,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 线槽保护，即连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，通过电磁感应将雷电波（即高电位）带入控制单元，将其损坏。,21,某燃气公司混配站的电缆沟,22,2 DCS雷害的风险评估,23,概述,风险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，首先要有一个评估的标准。据查 阅，目前涉及雷害风险评估的标准有： 气象行业标准:气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范QX3-2000； 国际电信联盟标准:通信局站雷电损坏危险的评估ITU-TK.39； IEC标准:雷电灾荒风险评估IEC 62305； 国家标准:建筑物电子信息系统防雷技术规范GB 50343-2004。 我们以2004年发布的国家标准“建筑物电子信息系统防雷技术规 范GB 50343-2004”作为评估的参考标准（适当介绍IEC 62305）， 并增加我们认为有必要阐述的存在隐患和改进措施。,24,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。其评估的基本内容包括： 1）工程环境的描述； 2）依据本地区的平均雷暴日和控制室所在建筑物的长、宽、高 计算年预计雷击次数； 3）依据电源电缆和I/O电缆等效受雷面积计算进控制室线缆年 预计雷击次数； 4）按防雷装置的拦截效率确定DCS的雷电防护等级； 5）存在的雷害隐患和改进措施。 现以某石化公司加氢裂化装置的DCS为例介绍DCS雷害的风险 评估。,25,2.1 工程环境的描述,该装置采用的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。 机柜室的所在建筑物的四边墙内都称有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。从机柜室通往现场的 电缆绝大部分采用环氧树酯走线槽架空敷设。,26,2.2 控制室所在建筑物年预计雷击次数,依据本地区的平均雷暴日和控制室所在建筑物的长、宽、高计算建 筑物年预计雷击次数 已知条件： （1）上海地区实际的年平均雷暴日Td=49.9d/a（GB为28.4d/a）； （2）控制室所在建筑物的长L=48m、宽W=15m、高H=20m。 计算： （1）雷击大地的年平均密度 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。,27,注：最新的IEC 62305的计算公式为： Ng=0.1 Td 若按此式计算，Ng值要比按Ng=0.024 Td1.3公式计算增加约1次/km2·a。 可见IEC 62305的计算公式更为保险。,28,(2)建筑物的等效受雷面积 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。 该面积即为建筑物避雷针高度 为H的保护范围，折算成每边的扩大 宽度D，当建筑物高度H小于100米 时， =0.0196（ ）,L,D,D,W,D,D,29,(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，按建筑物的周边环境取值，取值范围为1至2，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直击雷的可能性是每近九年一次。,30,注： IEC 62305 Ae是这样计算等效的受雷面积的： 通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（见下图）。 对下图所示的建筑物，其等效受雷面积为： Ae=LW+6H(L+W)+9H2 (m2) N1=k Ng Ae·10-6（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。,31,建筑物等效受雷面积,H,3H,W,32,33,一点重要的说明： 建筑物年预计雷击次数的计算，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。 （计算方法相同本例暂不考虑）,34,2.3 进机柜室I/O电缆年预计雷击次数 N2的确定,N2=Ng·（Ae1+Ae2） 式中： Ng-雷击大地的年平均密度,上述计算为3.87； Ae1电源线缆等效受雷面积（ ）,因本装置的电源线缆为室内敷设取0； Ae2 I/O信号线缆等效受雷面积（ ）,因本装置的I/O线缆架空敷设，若取平均长度为150米，则Ae2可取0.3。 所以 N2=3.87（0+0.3）=1.161(次/年) 即进控制室的I/O电缆年预计雷击次数是每年1.161次。 控制室所在建筑物及进控制室I/O电缆年预计雷击次数N的确定 N= N1+ N2=0.114+1.161=1.275 (次/年),35,注： IEC 62305是这样计算进主控室电缆年预计雷击次数N2的： 进主控制室电缆年预计雷击次数N2为： N2= k·Ng·Al·10-6 （次/年） 式中：k线路位置的校正系数，它可以按86页注表选取。 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和雷击入户电缆邻近区域的等效受雷面积Al2，即 A1=Al1+Al2。,36,2.4 按雷击风险评估DCS的雷电防护等级,（1）控制室所在建筑物及进控制室I/O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 C1DCS所在建筑物材料结构因子，钢筋混凝土结构取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抗浪涌能力因子，相当弱取3.0； C4DCS所在雷电防护区（LPZ）因子，在LPZ2区取0.5； C5DCS发生雷击事故的后果因子，因中断后会产生严重后 果取1.5。,37,所以 C=1+3+3+0.5+1.5+=9.0 =5.8×10-1.5/9.0=0.0206(次/年) 即本装置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。,38,（2）防雷装置拦击效率E的计算 E=1-Nc/N=1-0.0206/1.275=0.984 根据建筑物电子信息系统防雷技术规范（GB 50343-2004） 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。 所以本装置的DCS的雷电防护等级应划为A级，即最高等级。,39,2.5 存在的隐患,（1）存在于接地系统的问题 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，一当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。 本装置所有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，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，通过反击可以使变送器和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。,40,（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，以减少雷电电磁场的影响。而本装置的电缆绝大 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 果整个工艺装置遭受雷击的话，空间的雷电电磁场通过电磁感应将 高电位通过线缆带入DCS将其损坏，这可能是最主要的原因。,41,（3）其它存在的问题 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。 B.要核实该DCS的电磁兼容性（EMC）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）。,42,3 从“亡羊补牢”到 “防患于未然”,43,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，如要作很大 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，并提供给大家参考。,44,（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 接地；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/O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 。同时要利用控制室建筑物的结构钢筋、金属门窗等进行格栅屏 蔽。,45,（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近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）在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）必要的地方应设置浪涌吸收器（SPD）。之所以说“必要的地方”是考虑到如下的两个原因： A.DCS遭雷击毕竟是低概率事件，不能要求万无一失，所以设置浪涌吸收器必须要考虑用户的经济承受能力； B.DCS本身具有一定的浪涌抗扰度和脉冲磁场抗扰度，所以也没有必要过多地使用SPD。必要的地方应设置浪涌吸收器（SPD）。,46,综上所述，DCS的防雷，它首先取决系统的工程环境，包括采用 等电位接地系统，I/O信号电缆、电源电缆和通信电缆的合理敷设，控 制室的抗干扰设计以及供电系统的设计等等。 不注意工程环境，即便是世界上的一流产品也不能免受雷电的损 害。其次，还取决于DCS本身的电磁兼容性。要合理地使用浪涌吸收器 （SPD）。,47,谢谢大家,