煤气柜区自动化系统防雷措施2014519.doc

煤气柜区域自动化系统防雷措施鲁绍军1，薛冬晨1， 李 泉2，（1迁钢公司动力作业部，2迁钢公司能源部，河北迁安 064404）（河北省首钢迁安钢铁有限责任公司，河北迁安）【摘要】随着自动化技术、通讯技术在钢铁企业的广泛应用，保证设备不受雷电危害显得尤为重要，本文从实用方面介绍了首钢迁钢公司煤气柜区域自动化设备防雷工程的设计，初步形成一个完整的综合防雷系统，并起到显著的防护效果。【关键词】煤气柜；自动化；防雷；等电位；无线煤气柜区域自动化系统防雷措施Lightning protection measures of regional automatic system of the gas tank（HEBEI SHOUGANG QIANAN IRON & STEEL CO., LTD.Tangshan，Hebei）【摘要】随着自动化技术、通讯技术在钢铁企业的广泛应用，保证设备不受雷电危害显得尤为重要，本文从实用方面介绍了首钢迁钢公司煤气柜区域自动化设备防雷工程的设计，形成一个完整的综合防雷系统，并起到显著的防护效果。【 abstract 】 As the automatic and the communicating technology are widely used in iron and steel enterprises, it seems particularly important to protect the equipment from being damaged by lightning.The text which is from the practical aspects introduces the design about lightning protection project of regional automatic equipment of the gas tank in ShouGang Moving Steel Company , it forms a completely integrated lightning protection system, and plays a significantly protective effect.【关键词】煤气柜；自动化；防雷；等电位；无线【 key words 】 Gas tank; Automation; Lightning protection; Equipotential ;Wireless1 引言首钢迁钢公司现有四座煤气柜，两座8万立转炉煤气柜，两座十五万立焦炉煤气柜，负责公辅区域煤气管网的压力平衡和调节环节，在公司生产运行中起着至关重要的作用。雨季多雷期间，煤气柜区域部分电源模板、IO模板和安全栅等设备频繁遭雷击并造成大量设备损坏，直接影响煤气柜区域生产安全。在没有实施自动化设备防雷措施时仅2010年7-8 月间的短短一个多月时间里, 我公司15万立干式气柜曾两度遭雷电袭击, 使柜体仪表及IO模板等其它相关仪表严重受损, 给煤气的安全供应构成较大的威胁。由于工业计算机和可编程控制器（PLC）对瞬间过电压的承受能力很差，成为受雷电损害的主要设备。这不仅带来直接的硬件损失，还会因控制系统的损坏对生产运行的安全造成威胁，而对于雷电的这类通过感应形式而产生的破坏，靠避雷针等简单的直击雷防护措施根本无法解决问题，必须增加完善的雷击电磁脉冲防护措施进行防护。2雷电种类及危害21直击雷的危害直击雷是雷雨云对大地或建筑物等的放电现象。它产生强大的脉冲电流、炽热的高温、猛烈的电动力，损坏放电通道上的建筑物、输电线、室外电气、电子设备，击死击伤人员，同时产生的强烈的电磁感应和电磁辐射，对周围的电气、电子设备造成损坏或干扰。22雷击电磁脉冲的危害雷击电磁脉冲是由于雷雨云之间和雷雨云与大地之间放电时，产生的电磁感应、电磁辐射以及雷雨云与输电线静电感应电荷在雷击放电瞬间泄放产生的过电压过电流通过连接建筑物内外各种金属管道、电源线、信号线、天馈线等侵入损坏室内外的电气、电子设备。23操作过电压和暂时过电压（TOV）危害供电系统中的电感性和电容性负载开启或断开造成的操作过电压以及供电系统高（中）压故障产生的暂时过电压，都能在电源线路上产生高压脉冲，其脉冲电压可达到线电压的3.5倍，从而损坏设备。破坏效果与雷击类似。3 自动化控制系统防雷方案设计31 自控配电系统防护当雷击输电线或雷闪放电在输电线附近时，都将在输电线路上形成雷电冲击波，其能量主要集中在工频至几百赫的低端，容易与工频回路耦合。雷击灾害中，由配电系统耦合进入的雷击浪涌带来设备的损坏占有相当大的比率。因此，对配电系统的防雷保护措施是整个防雷系统建设中必不可少的一个环节。由于单级防雷保护可能会带来因雷电流过大而导致的泄流后残压过大或者保护能力不足引起的设备损坏，因此配电系统的防雷保护应采取多级保护、逐级泄放。保护器件的选择上采用残压低、响应快速的高性能产品，可有效防止雷电对电气、电子设备的危害。自控配电系统防护结构如图1。图1 自控配电系统防护结构图Fig.1 control electricity system protection structure3.1.1第一级防雷器配置：设计在煤气柜区主控楼一层配电室内段电源和段电源的低压380V侧，各安装1套电压开关型三相电源防雷器，总雷电冲击电流100kA（10/350s），共2套。防雷器前端串接63A/3P空气开关，用以故障保护。承担了泻放雷电流和限制过电压的双重任务。3.1.2第二级防雷器配置：设计在煤气柜主控楼二层主控室两个互投箱，各安装1套限压型三相电源防雷器，最大放电电流40kA，共2套。防雷器前端串接20A/3P空开，用以故障保护。3.1.3第三级防雷器配置：在主控楼UPS配电柜内的UPS输出及市电输入主开关后端，各安装1套限压型单相电源防雷器，最大放电电流40kA，防雷器前端串接20A/1P空气开关，用以故障保护。32 自控系统信号线路防护从现场暴露电磁环境引入的信号线路上可能会在雷击时感应出较高的过电压，从而损坏控制系统造成较大的损失，于是需要在信号线缆进入控制室时安装防雷器，即在室内PLC控制柜内安装适应的防雷器进行保护。而对于分布在现场各暴露部位的仪器仪表设备，无时无刻不在面临着雷电直接或间接威胁。控制系统基本上都是采用低压供电，信号处理传送采用弱电系统，特别是采用大规模集成电路，其耐压水平很低，在雷电产生的浪涌电流和高压、强电场、强磁场的作用下，极易被磁化、击穿烧毁脆弱的集成电路和线路板。因此，在现场设备侧信号线路上同样需要加装信号防雷器。防雷器是用来限制瞬态过电压和分走电涌电流的器件。当有连接电缆从室外或其它系统进入控制室时，装设防雷器可防护电子设备免遭雷电浪涌的闪击。在信号线之间（差模保护）和信号线与地之间（共模保护），防雷器提供了优先击穿的路径，任何浪涌电流都流不会流过被保护设备，就避免了设备被损坏。但如所有I/O通道都装设防雷器，成本将大幅上升。因此按实用性、发生雷击事故的可能性和后果，合理配置防雷器，本着经济实用原则，对于PLC控制柜和现场仪表的防护，主要对一些曾被打坏过的、重要关键、坏后难修复及后果严重的通道，例如带连锁的压力变送器、差压变送器、柜位仪、调节阀、油箱液位等进行防护。PLC控制柜侧的保护，在线路进入安全栅之前加装标准模块进行保护。现场仪表侧的保护，根据仪表的实际情况，提供了两种选择：选择1采用标准模块进行保护（直接安装于柜内或另加防爆箱安装），选择2采用防爆型管式防雷器安装于仪表备用接线口。如图2。图2 现场仪表侧保护示意图Fig.2 sketch map of scene instrument protect3.2.1 现场仪表防护对于压力变送器和差压变送器的保护，因变送器带有两个1/2NPT接线口，设计采用管式防雷器（防爆型）进行防护。可以旋入仪表设备的备用接线口，通过防雷器自带的导线连接到仪表，从而可靠保护仪表内的电子元件免受雷电过电压的影响，同时雷电过电压通过金属外壳泄放，而不经过仪表设备内部；对于活塞位置及调节阀的保护，分别对其220V电源和4-20mA信号进行保护，防雷器根据现场实际情况安装在另设的防爆箱内；对于热值的保护，对其4-20mA信号进行保护，防雷器直接安装于柜内空位。3.2.2PLC控制柜防护PLC控制柜防雷器可通过35mm标准导轨安装在PLC控制柜内空位处，在压力变送器、差压变送器、调节阀控制、调节阀阀位反馈、活塞位置、热值的信号线进入PLC控制柜内安全栅之前，串联安装防雷器。热电阻为三线制，在信号线进入安全栅之前，每个热电阻各串联安装1套防雷器。33 等电位连接等电位是内部防雷的一部分，等电位连接的目的，就是使主控室内的不同设备及金属构件，即使在受到电磁脉冲影响时，它们之间也不会存在电位差，即不可能产生干扰电流，从而保证电子设备的正常工作。设计在主控室内沿墙壁设置一圈环形等电位汇流排，等电位连接排通过多股铜导线与主控室接地连接。PLC控制柜、网络设备、UPS各机柜外壳、金属线槽等金属物与等电位连接排采用多股铜导线最短距离连接。系统结构如图3。图3 等电位连接系统结构图Fig.3 System of potential connect structure4 无线数传天线防雷由于煤气区域安装的煤气报警设备采用无线传输，其主机所在建筑楼顶有两个无线数传天线，也要对天线安装避雷针进行防护。避雷针的高度通过滚球法来确定，我国的国家标准GB500572010建筑物防雷设计规范就是采用滚球法来确定避雷针的高度和保护范围的。这与国际IEC标准一致。避雷针高度计算示意图如图4.图4 避雷针高度计算示意图Fig.4 sketch map of lightning rod calculate滚球法确定避雷针高度（h）的计算公式如下： 式中：rx避雷针在 hx高度的xx平面上的保护半径(m)； hr滚球半径，60m（第三类防雷建筑物）； hx被保护物的高度(m)； r0避雷针在地面上的保护半径(m)。将rx=3m、hr=60m、hx=10m（楼高）+5m（天线高）=15m代入上式，求得h=17.83m，即避雷针的高度=17.83m-10m（楼高）=7.83m。故设计避雷针的高度为8米。在楼前天线附近草坪做一组接地，即在草坪中垂直埋入3根2.5米长50mm50mm5mm热镀锌角钢，角钢间隔5m。角钢顶部距离土壤表面不小于0.8m，通过40mm4mm热镀锌扁钢焊接相连与避雷针支撑杆连接。接地电阻值要求小于10。如图5。图5 接地示意图Fig.5 sketch map of landing楼顶天线处原安装的防雷器采用BVR6mm2铜线接地。两台天线接收主机的天馈线接口处，安装2套天馈线防雷器，防止雷电过电压沿天馈线侵入接收主机。5 结语煤气柜区自动化控制系统防雷接地是一项综合性工程，结合仪表、自动控制系统、通讯系统的特点，结合各个行业防雷需求，依照分流、均压、接地和屏蔽的思路进行各项防雷措施的实施，建立完善的防雷接地系统，确保煤气柜自动化系统在雷雨天气下的安全平稳运行。自2011年对煤气柜区域自动化控制系统进行防雷系统改造后，至今为止改造过的自动化控制系统设备没有再出现过因为雷击造成的自动化设备损坏，可靠的保证了煤气的储存与输送。 参考文献1GB50057-2010，建筑物防雷设计规范S.北京：中国标准出版社，20102GB50343-2004，建筑物电子信息系统防雷技术规范S.北京：中国标准出版社，20043GB2887-2000，电子计算机场地通用技术规范S.北京：中国标准出版社，20004GB50174-2008，电子信息系统机房设计规范S.北京：中国标准出版社，20085IEC62305-4：2006雷电防护 第4部分：建筑物内的电气系统和电子系统6GB18802.1-2002，低压配电系统的电涌保护器（防雷器） 第1部分：性能要求和试验方法S.北京