浅谈火力发电厂热工控制系统的防雷措施
2004年夏天，上海地区雷电频发，共有3个火电厂的热工控制系统及外围热工控制系统遭受雷电入侵而受到不同程度的损坏，这是上海地区近十几年来发电厂遭受雷害最多、热工控制系统损坏最严重、影响最大的一年。
案例1：2004年7月6日、8日,某电厂4台300MW机组遭受2次雷害,瞬间造成4台机组全部退出AGC运行方式;其中3号机组A侧引风机轴承温度跃升十几度(最高达87℃并发出“轴承温度高”报警)险些误跳风机;雷害使化水楼周边压力和温度变送器损坏10多台,损坏化水程控模块3块、打印机、交换机等多台。
案例2：2004年8月4日,某电厂350MW机组遭强雷电截击,雷后强大的雷电脉冲通过电源及信号电缆造成1号机组4块DCS的I/O模块损坏、2号机组2块模块损坏;外围水处理系统7台压力、温度变送器损坏;0号机组有20点轴承监测温度出现异常升高而产生误报警;另造成制氧1号高压氮压缩机电机轴承温升至连锁动作值而跳压缩机。
案例3：2004年8月22日,某自备电厂外围化水设备遭受雷电侵害,造成1个化水液位计、5台压力变送器损坏,通过信号电缆传导造成More热工控制系统2块I/O模块损坏、部分程序丢失,还造成部分供热用户蒸汽流量表计损坏。
分析发现,这3起雷害都是在宽广的场地引发的,并通过信号或电源电缆等将感应雷过电压或强雷电脉冲等导致热工控制系统损坏。从对现场露天安装热控表计检查发现,外壳接地不严格(以安装支架作为接地)、接地线松动、接虚及接地线脱落等现象比较普遍。
一、雷害及其入侵热工控制系统的途径
夏季,常常会发生闪电打雷的自然现象。当大气中云的不同部位、云与云之间或云与地面不同性质电荷差达到一定程度时,就会发生击穿空气的放电现象,就这是闪电。闪电通道上的空气由于高温而急速膨胀引起爆裂,发出的声音就是雷声。
有了雷电就有可能产生雷击,即发生一种雷雨云中释放电能击中物质而造成损失的灾害现象。人们往往比较重视直接雷击的危害,对感应雷害却存在认识上的误区。
所谓感应雷害,是指雷电的静电感应、电磁感应、过电压波、电磁辐射等。随着现代社会电子、通信、计算机控制技术的迅速发展,雷击灾害正从“直击雷害”向“感应雷害”转变,且频率越来越高,危害越来越大。据德国一家重要的电子保险公司统计,由于电涌(主要是雷电放电)对电子设备和系统的电磁干扰而造成的损坏赔偿费在十年内翻了两番。仅1990年就因电涌造成的电子设备与系统的损失超过10亿马克。
相对于热工控制系统,雷雨产生浪涌(冲击)电压的主要途径有以下3个方面：①直击雷于外部线路注入大电流流过接地电阻或外部线路阻抗而产生的浪涌电压;②雷击产生的电磁场在热工控制系统外部线缆上产生的感应电压和感应电流,即所谓间接雷击;③附近直接对地放电的雷电入地电流耦合到热工控制系统接地系统的公共接地路径上。
从调查情况看,雷电波(高电位)大多通过那些敷设不规范的线缆(包括I/O信号电缆通信电缆和电源电缆等)进入并导致热工控制系统发生异常、故障甚至损坏。
1.1 建筑物外的侵入
(1)雷电远点袭击电力线。雷电首先击在电力线上,通过电力线直接击穿用电设备的电子元件,从而影响热工控制系统的供电。
(2)雷电近点电力线的入侵。实际上是雷电袭击用电设备所在的建筑物避雷针,引起雷电电磁脉冲。除通过避雷引线、水管、金属门窗等与地面有连接的金属物质的雷电流外,剩下的部分将击穿UPS输出和输入对地线端,从而影响热工控制系统的供电和网络设备。
(3)错相位雷击。如果一个高能量雷打在一条火线上,而另一个低能量雷打在另一条火线上,线线之间会产生电压差侵入用电设备。直接影响三相UPS、热工控制系统及整个热工控制系统的供电。
1.2 建筑物内感应雷击
雷电对热工控制系统的危害主要是通过直击雷和雷电电磁脉冲干扰两2种形式。
(1)雷电直接击中建筑物或地面,雷电流沿引下线、接地体流动过程中产生强大的感应电磁场,通过感应耦合到热工控制系统而损坏其电子元器件。另外,控制室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,会使局部地电位浮动并产生跨步电压,若防雷接地装置是独立的,它和热工控制系统的接地体没有足够的绝缘距离,它们之间会放电(称为雷电反击)而对热工控制系统产生干扰或破坏。
(2)雷电电磁脉冲干扰是指强大的雷闪电流产生的脉冲电磁场,它对热工控制系统的干扰有;
a)控制室建筑物的防直击雷装置接闪时,引下线会通过强大的瞬间雷电流,如在引下线一定距离内有连接热工控制系统的电源及I/O电缆等,则引下线内的雷电流会对这些电缆产生电磁辐射,将雷电波流引入热工控制系统损坏I/O模块;
b)控制室周围发生雷击放电时,会在各种金属管道、电缆线路上产生感应电压。如果这些管道和线路引入到控制室把过电压传导到热工控制系统上,也会对热工控制系统产生干扰或损坏。
二、热工控制系统及控制室防雷主要措施
人们认为安装了避雷针就能防避所有雷害,其实这是片面的。几百年前发明的避雷针只能预防直击雷,对感应雷害毫无作用。由于缺少科学常识和认识误区,致使某些单位对电子、控制、计算机等设施尚无任何预防感应雷害的措施,致使这些企业的设施雷害频发。
试验证实,0.24mT的电磁波冲击就能造成电子设备的直接损坏,0.003mT的电磁波冲击就能造成电子设备的误动。因此,自20世纪90年代起,IEC先后颁布了一系列防雷标准。我国颁布了GB50057-1994《建筑物防雷设计规范》的国家标准,该标准第6章专门规定了“防雷击电磁脉冲”的要求,表明防雷技术已引起国内各行业的重视。
2.1 控制室及外围的防雷
雷电对热工控制系统破坏的原因在于其巨大的、远远超出控制设备所能承受的浪涌电流、电压。阻止和减少浪涌电流侵入热工控制系统是预防雷电危害的关键。由于热工控制系统通常放置在建筑物下,已在建筑物防雷系统的保护下,所受的危害不是直击雷,而是由于雷的电磁效应所产生的浪涌电流(亦称感应雷)。感应雷的产生可以分为：
1)电阻耦合：雷击导致附近的地电势急剧升高,若该地区控制、电气设备与远离雷击点的建筑内的设备有电缆连接,因电缆的电阻小于土地的电阻,浪涌电流就会在电缆中产生,从而危害两端的控制设备。
2)电感耦合：雷击使建筑物外部防雷设备的导体上产生巨大的瞬间电磁场,使建筑物内的电缆感应生成有害电压产生浪涌电流。
3)电容耦合：空中的高电压供电线很容易遇到雷击,虽然其本身的高压浪涌保护装置泄放了大量的能量,仍有相当多的能量由于其自身的高频特性以电容耦合的方式通过变压器进入建筑物的供电系统,危害电子设备。
IEC-61312《雷电电磁脉冲的防护》对雷电保护区的划分提出了图1所示的原则性建议。
一个欲保护的区域,从EMC(电磁兼容)的观点来看,由外到内可分为几级保护区,最外层是0级,危险性最高;我国大多数情况下的机房,就与0区仅一墙之隔,即只有一层屏蔽,则该机房内空间定为1区;各电子设备的外壳为一层屏蔽层,可视机壳内的空间为2区等。越往内部,危险程度越低,过压主要是沿线穿过的,保护区的界面通过外部防雷系统、钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层面形成。穿过各级雷电保护区的金属构件,一般应在保护区的分界面做等电位联接。
GB50057-1994按防雷要求分为一、二、三类防雷建筑物。一类要求最高;二类次之。热控控制室如果和生产设备在同一建筑物内,其防直击雷设施应根据生产设备的特点综合确定和设计。如果热控控制室是独立的建筑物,应按该标准规定的三类防雷建筑物的标准设防。
将控制室的墙和层面内钢筋、金属门窗等进行等电位联接,并与防直击雷的接地装置相联,使控制室形成一个法拉第笼,可减少雷电磁脉冲的影响。控制室有许多电缆和外部相联,因此要对从室外进入控制室的各种电缆采取屏蔽措施,对容易被雷电波侵入的地方更应重视,只有堵死一切雷电导入的端口,才能有效保护热工控制系统设备免受雷电的侵害。
2.2 热工控制系统的防雷
现代防雷技术的理论基础在于;闪电是电流源,防雷的基本途径就是要提供一条雷电流(包括雷电电磁脉冲辐射)对地泄放的合理的阻抗路径,而不能让其随机地选择放电通道,简而言之就是要控制雷电能量的泄放与转换。现代防雷保护的三道防线为：①外部保护：将绝大部分雷电流直接引入大地泄散;②内部保护：阻塞沿电源线或数据线、信号线侵入的雷电波危害设备;③过电压保护：限制被保护设备上的雷电过电压幅值。
然而,在热工控制系统应用中最不清楚但又必须解决的问题也许就是接地问题。不仅很多用户不清楚,甚至有的热工控制系统厂家也未必很清楚。各热工控制系统厂家为保证系统能在各种复杂的应用现场正常运行,提出的接地要求也各不相同,不但概念比较笼统、模糊,且对接地的具体技术要求也存在较大差异,有的很苛刻,有的则相对较宽松。如有的DCS对内部交流地、逻辑地、系统地是不区分的,当电源的3根线(相线、零线、地线)接到机柜的配电盒时,即完成了系统接地。而有的DCS则采用1个接地点且与电气网共地方式。还有的DCS的安全地采用就地接大地或接入汇集板(总接地板),而系统地(直流工作地)则采用汇集板接地方式。但不管有何差异,用户应注意如下2点：
(1)保护接地：热工控制系统均有一个保护地,该保护地一般在机柜和其它设备设计加工时已在内部接好,有的系统已将该保护地在内部同电源进线的保护地(三芯插头的中间头)连在一起,有的不允许将保护地同该线相连,用户一定要仔细阅读厂家提供的接地安装说明书。不管哪种方式,保护接地必须将一台设备上所有的外设或系统的保护接地连在一起,然后用较粗的绝缘铜导线将各站的保护接地连在一起,再从一点上与大地接地系统相连。
(2)屏蔽地(模拟地)：是所有接地中要求最高的一种。几乎所有的热工控制系统都提出屏蔽地一点接地,且接地电阻小于1Ω。在热工控制系统机柜内部都安置了屏蔽地汇流排,用户在接线时将屏蔽线分别接到屏蔽地汇流排上,在机柜底部,用纸缘的铜辫连到一点,然后将各机柜的汇流点再用绝缘的铜辫或铜条以辐射状连到接地点上。大多数的热工控制系统不仅要求各机柜屏蔽地对地电阻小于1Ω,且各机柜间的电阻也要小于1Ω。
HG/T20513-2000(仪表系统接地设计规定)对屏蔽电缆的接地原则上要求一端接地,另一端悬空。但单端接地只能防静电感应,不能防磁场强度变化所感应的电压,阻碍雷电波的侵入。为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(如用金属走线槽或穿线金属管作为第二屏蔽层)应至少在两端做等电位联接。从防雷角度看,走线槽及穿线金属管应选择金属材质而不应选用环氧树脂等绝缘材料。
要将热工控制系统的接地系统和防雷电系统的接地系统进行等地位联接,即使受到雷电反击,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。空中飞行的飞机是一个很好的例子。空中的云层是雷电的发源地,飞机穿行其中,飞机中的人员安全、各种设备工作正常,这是因为其整体的金属外壳使它成为一个等电位体,雷电产生的浪涌电流不能进入飞机内部。因此等电位联接是热工控制系统免遭雷击的重要措施。
关于等电位联接的概念,我国最早于1958年底建造人民大会堂时基于防雷要求提出的,这比国外早18年(英国的R.H.Golde1977年才在名著《雷电》一书中谈到)。由于等电位联接减小了系统内各金属部件和各系统间的电位差,无论是从防雷的角度或是从减小热工控制系统的共模干扰来看,这都是十分有益的。
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