房地产抵押与评估风险防范

控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估Researchanalysisandriskassessment

oflightningstrokeeventsforcontrolsystems

1本部分的主要内容1DCS遭雷击的典型案例；2DCS雷害的风险评估；3从“亡羊补牢”到“防患于未然”。2前言

通过对遭雷害的控制系统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控制系统带来危害的；

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控制系统防雷有着举足轻重的影响。31控制系统遭雷击的典型案例41.1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。避雷带通信电缆5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。61.2某公司离子膜装置和硫酸装置的雷击事故分析控制室硫酸装置离子膜装置全部电缆穿管埋地全部电缆用玻璃钢桥架敷设7雷击时间：2006年夏雷击结果：硫酸装置的控制系统和现场仪表无损坏；离子膜装置损坏了许多输入/输出卡。整改措施：将离子膜装置的玻璃钢走线槽用不锈钢薄钢板包裹并隔一定距离接地。8不锈钢板包裹走线槽接地干线91.3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。

变送器安装支架自然接地10事故原因：由于控制系统统采用单独接接地，即便变变送器的电子子线路在现场场侧没有工作接地，，而且它和变变送器的外壳壳隔有一定间间隙（或串接接一个反向二极管），但但变送器的外外壳和金属安安装支架（或或与金属设备备相连）形成了自然接地。当变送器器附近的设设备或建筑筑物遭雷击击时，由于于地电位的浮动，可可以使变送送器和控制制系统两处处的地电位差达达几万、几几十万伏，故通过信信号电缆足足以将变送送器和控制制系统的AI卡同时击穿穿，或击穿其中之一一（具体要要视设备和和导线的分分压比）。。解决方法：：将变送器外外壳和控制制系统通过共用接接地网实现现等电位接接地。11雷电反击原原理图变送器DCS150米几万、几十十万伏地电电位差地电位分布布曲线引下线121.4在荷兰发生生的惊人1975年案例13雷击法拉第第笼造成对对‘法拉第第孔’内导导线的闪络络电缆RL=1Ω法拉第孔100kA100kV法拉第笼

141.5某石蜡加氢氢装置案例例分析雷害时间：：2004年7月8日下午4点。事故情况：：遭受雷击。。使操作站站的工控机的的主板被雷雷击坏。事故原因：：因为工控机机所在机柜柜位于离大大窗户和门门口不到0.8米，承受着着和室外一一样的电磁磁场强度。。而工控机机的外壳没没有屏蔽接接地，遭雷雷击时，机机柜门又半半虚掩。解决方法：：首先是工控控机的外壳壳屏蔽接地地。其次，，将控制室室建筑物内内的钢筋、、金属门窗窗等连接起起来，进行行格栅屏蔽蔽。15一点思考：该石油化化工企业和和石蜡加氢装装置相距不到30米的催化裂化装装置的DCS控制室，也也为单层的的独立建筑筑物，由于于设置了防防直击雷装置置（避雷带带），却安安然无恙。。可见防直直击雷装置置对雷击电电磁脉冲（LEMP）有一定的的衰减作用用。所以，，如控制系系统所在的的控制室是独立建建筑物，其其周围有高高大建筑，，如用滚球球法确定高高大建筑接接闪器的保护护范围，控控制室所在在的独立建建筑物在该该保护范围围内时，虽虽然控制室所所在的独立立建筑物可可以不设防防直击雷装装置，但考考虑到防直击雷装置对对雷击电磁磁脉冲（LEMP）有一定的的衰减作用用，所以该建建筑物还是宜按按《GB50057建筑物防雷雷设计规范范》中规定的第第三类防雷雷建筑物采取取防直击雷雷措施。161.6某石化公司司沥青装置置的案例分分析雷害时间：2003年7月21日。17某石化总厂厂沥青装置置的控制室室平面18问题1：在雷电的当当即，为什什么CRT显示器会发发生黑屏？2秒钟后为什什么又自动动恢复？据现场调查查，在遭雷雷击时，控控制室内的的UPS没有发生停停电事故，控制器器和操作站站的电源开开关也没有有断开过。。显示器黑黑屏2秒钟后又恢复到黑黑屏前的显显示画面，，这说明操操作站的主主机在黑屏屏后也没有有重新启动过过（即一直直处于通电电状态）。。因此遭成显显示器黑屏屏的原因只只能是强大的雷电电电磁脉冲冲对阴极射线管（CRT）内的电子子束产生的的干扰所至至。因为距控控制室南墙墙大窗户只有3米左右的操操作站，承承受着和室室外一样的的电磁场强强度。这种干扰产产生的后果果是使显示示器失效，而不是破破坏。即显显示器在雷电电磁磁脉冲的作作用下，失失去正常功功能，过2秒钟干扰消消失后又恢恢复正常。19问题2：为什么连接接在I/O信号卡前面面的LB900型齐纳安全栅栅却安然无恙，而I/O卡却坏了？由齐纳安全全栅原理图图可知，无无论是由非非本安端或或现场端，，当电压超过一定定值时，要要过毫秒级的时间（制制造商提供供的数据））后方使齐纳二极管管VD1、VD2反向击穿并并产生雪崩，从而将能能量释放到到地里去。而雷雷电脉冲的的时间是μs级的，远小于雪崩崩时间和快快速熔断器器FA1的熔断时间间。再则，如果果雷电波在在金属导线线内的的传传输速度为为每秒15万公里，假定安安全栅位于于DCS前面3米，则从安全栅到到DCS的传输时间间为20ns。如果一旦旦有雷电波波从现场经经过安全栅栅，还未等等齐纳二极极管产生雪崩，雷雷电波已进进入DCS系统，将DCS损坏，把进进入的雷电电能量释放掉的同时时从而也保保护了安全全栅。所以以为什么雷雷击时，I/O卡损坏了，连接在在I/O信号卡前面面的齐纳安安全栅却安安然无恙。。20齐纳安全栅栅原理图211.7某石化公司司苯酚装置置的案例分分析雷害时间：：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：：遭雷击时控控制器内的的EPROM里的程序丢丢失。原因分析：：因为控制室室、控制器器和所在机机柜都没有有屏蔽接地地，位于离离大窗户（（塑钢）不不到1.8米，承受着着和室外一一样的电磁磁场强度。。遭雷击时时，使128K的EPROM内的程序丢丢失。重新新下装后正正常。221.8某燃气公司司混配站案案例分析雷击时间：：2003年8月10日。事故情况：：遭受雷击击的在线控控制系统中中包括一台台控制混合合气含氧量量的控制单元元。该氧气分分析装置是是美国TELEDYNE分析仪表公公司的327RA型产品，其其中包括一一台基于袖袖珍型燃料料电池的分析单元（美国专利利U.S.PAT.#3，429，796）和一台控制单元。由于它对对整个混配配过程的操作具有有举足轻重重的作用，，以至雷击击后整个装装置不得不不停产，严严重地影响城城市的供气气。23电子线路分分析：我们查阅了了控制单元元信号输入入部分的电电子线路（见图），，并根据替替换下来的的损坏件是是图2中的A2（OP07）运算放大大器，就可以说明明，雷电波波（高电位位）是通过过外部连接接电缆从TS6的2-3端，经过A1（OP07）运算放大大器量程选选择开关的的反馈通路路直接进入入A2（OP07）运算放大大器，然后后将其击穿穿。24含氧控制单单元信号输输入的电子子线路图（（局部）25现场情况分分析：该含氧分析析仪从安装装在现场的的分析单元元到控制室内的控制制单元，总总共有7根信号线相相连，中间相距约约150米，采用的是单层的的屏蔽电缆缆（控制室室一端接地地）。电缆缆沿深度为为700mm、宽约800mm的水泥地沟沟内敷设，，沟内的电电缆没有再用金金属管和金金属走线槽保护，即连接电电缆没有采采取双层屏屏蔽和两端端接地的措措施。所经经之地又有4、5处和建筑物物避雷带引引下线的接接地点相距距很近。雷击时，通过电电磁感应将将雷电波（（即高电位位）带入控控制单元，，将其损坏坏。解决方法：：采用双层屏屏蔽电缆敷敷设。26某燃气公司司混配站的的电缆沟电缆缆沟沟272DCS雷害害的的风风险险评评估估28概述述风险险一一般般定定义义为为遭遭受受灾灾害害和和损损失失的的可可能能性性，，或或者者具具有有不不确确定定性性的的可能能损损失失。。风风险险评评估估就就是是人人们们处处理理风风险险的的一一种种常常用用措措施施。。要对对DCS进行行雷雷害害的的风风险险评评估估，，首先先要要有有一一个个评评估估的的标标准准。据据查查阅，，目目前前涉涉及及雷雷害害风风险险评评估估的的标标准准有有：：气象象行行业业标标准准:气象象信信息息系系统统雷雷击击电电磁磁脉脉冲冲防防护护规规范范[QX3-2000]；国际际电电信信联联盟盟标标准准:通信信局局站站雷雷电电损损坏坏危危险险的的评评估估[ITU-TK.39]；IEC标准准:雷电电灾灾荒荒风风险险评评估估[IEC62305]；国家家标标准准:建筑筑物物电电子子信信息息系系统统防防雷雷技技术术规规范范[GB50343-2004]。我们们以以2004年发发布布的的IEC标准准““雷雷电电灾灾荒荒风风险险评评估估[IEC62305]””和国国家家标标准准““建建筑筑物物电电子子信信息息系系统统防防雷雷技技术术规规范范[GB50343-2004]””作为评评估估的的参参考考标标准准。。29风险险评评估估应应包包括括风风险险的的来源源评估估以以及及风风险险的的损失失评估估，，本本文文仅讨讨论论风风险险的的来来源源评评估估。。其其评评估估的的基基本本内内容容包包括括：：1）依依据据本本地地区区的的年平平均均雷雷暴暴日日和控制制室室建建筑筑物物以以及及工工艺艺装装置置的长、、宽宽、、高高计计算算年预预计计雷雷击击次次数数；2）依依据据电电源源电电缆缆和和I/O电缆缆等等效效受受雷雷面面积积计计算算进控控制制室室线线缆缆年年预计计雷雷击击次次数数；3）计计算算年预预计计雷雷击击总总次次数数。4）按按防防雷雷装装置置的的拦拦截截效效率率确确定定DCS的雷电电防防护护等等级级；5）存存在在的的雷害害隐隐患患和和改改进进措措施施。302.1建筑筑物物年年预预计计雷雷击击次次数数依据据本本地地区区的的年年平平均均雷雷暴暴日日和和建建筑筑物物的的长长、、宽宽、、高高计计算算建建筑筑物物年年预预计雷雷击击次次数数。。例：：上海海地地区区实实际际的的年年平平均均雷雷暴暴日日Td=49.9d/a（GB为28.4d/a）31计算：（1）雷击大地地的年平平均密度度即按地区区的年平平均雷暴暴日Td换算成每年每平平方公里里遭受雷雷击的次次数。按最新的的[IEC62305]的计算公公式为：：Ng=0.1Td=0.1·49.9=5.0次/km2·a32(2)控制室所所在建筑筑物的等等效受雷雷面积注：[IEC62305]Ae是这样计计算等效效的受雷雷面积的的：通过建筑筑物顶部部与其接接触，将将倾斜度度为1/3的直线，，围绕建建筑物一周后与与地面交交接的截截面积为为等效受受雷面积积（见下下图）。。对下图所所示的建建筑物，，其等效效受雷面面积为：：Ae=[LW+6H(L+W)+9πH2](m2)N1=kNgAe·10-6（次/年）式中k为和建筑筑物所处处地理环环境有关关的校正正系数，，它可以以按下表表选取。。33建筑物等等效受雷雷面积1：3LH3HW34如建筑物物具有复复杂的形形状，例例如在屋屋面上的的某个部部位具有有一定高度的凸凸出物，，可以根根据上述述定义用用作图法法来计算算建筑物物的等效效受雷面积。。此时，，一个可可以接受受的近似算法法为：Ae=9πHp2×10-6(km2)35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0.536一点重要要的说明明：建筑物年年预计雷雷击次数数的计算算，除了了控制室室所在建建筑物外，，还应包包括含有有变送器器、执行行器等控控制设备备的工艺厂房或或工艺框框架。（计算方方法相同同）372.2进机柜室室I/O电缆年预预计雷击击次数N2的确定[IEC62305]是这样计计算进主主控室电电缆年预预计雷击击次数N2的：进主控制制室电缆缆年预计计雷击次次数N2为：N2=k··Ng··Al·10-6（次/年）式中：k——线路位置置的校正正系数，，它可以以按上表表选取。。Al——雷击电缆缆的等效效受雷面面积，它它包括雷击入户户电缆的的等效受雷面面积Al1和雷击入入户电缆缆邻近区区域的等等效受雷雷面积Al2，即A1=Al1+Al2。38表4.6电缆的等等效受雷雷面积Al注：1.Lc是线路从从控制室室建筑物物至现场场的第一一个分支支点或与与相邻建建筑物的的长度，，单位为为m，最大值值为1000m，当Lc未知时，，可假定定L=1000m。2.ρ为埋设电电缆的土土壤电阻阻率，最最大值可可取500ΩΩm。3.Ha——线路与工工艺装置置相接的的高度m；Hb———线路与控控制室建建筑物相相接的高高度m；Hc———线路离地地面的高高度m。架空敷设埋地敷设雷击入户电缆Al16Hc[Lc-3(Ha+Hb)]0.8[Lc-3(Ha+Hb)]ρ1/2雷击入户电缆的邻近区域Al21000Lc50Lcρ1/2392.3按雷击风风险评估估DCS的雷电防防护等级级（1）建筑物物及进控控制室I/O电缆年预预计雷击击次数N的确定N=N1+N2+N3=1.275(次/年)（2）可接受受的最大大年平均均雷击次次数Nc的计算式中：C——各类因子子C=C1+C2+C3+C4+C5C1——DCS所在建筑筑物材料料结构因因子，钢筋混混凝土结结构取1.0；C2——DCS重要程度度因子，集成化化程度较较高的低低电压微微电流设设备取3.0；C3——DCS抗浪涌能能力因子子，相当弱弱取3.0；C4——DCS所在雷电电防护区区（LPZ）因子，在LPZ2区取0.5；C5——DCS发生雷击击事故的的后果因因子，因中断断后会产产生严重重后果取1.5。40控制系统统所在建建筑物材材料结构构因子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c10.51.01.52.02.541控制系统统重要程程度因子子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控制系统统抗浪涌涌能力因因子C3控制系统抗浪涌能力因子一般较弱相当弱c30.51.03.043控制系统统所在雷雷电防护护区（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c40.51.01.5～2.0

44控制系统统发生雷雷击事故故的后果果因子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C50.51.01.5～2.045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因直击雷雷和雷电电电磁脉脉冲损坏坏可接受受的年平平均最大大雷击次次数每年仅仅为0.0206次。46（2）防雷装装置拦击效率率E的计算E=1-Nc/N=1-0.0206/1.275==0.984根据《建筑物电电子信息息系统防防雷技术术规范（（GB50343-2004）》第条款有关关雷电防防护等级级的规定定：当E＞0.98时定定为A级；当0.90＜E≤0.98时定定为B级；当0.80＜E≤0.90时定定为C级；当E≤0.80时定定为D级。所以本装置的的DCS的雷电防防护等级级应划为为A级，即最高高等级。。472.4存在的隐隐患(以某装置置为例））（1）存在于于接地系系统的问问题A.DCS系统采用用单独接地地，但其接地地体和建建筑物防防直击雷雷的接地地体相距仅12米，小于于规范标标准规定定的20米距离。B.本装置所有现场场变送器器的外壳壳和DCS系统都没没有等电电位接地地，而变送器是由于于安装支架架自然接地地的。当变变送器附近近的设备或或建筑物遭遭雷击时，通通过反击可以使变送送器和DCS失效或损坏坏。C.所有机柜的的接地汇流流排没有采采用分类汇汇总的连接接方法，现现有的所谓环路（即串串联接地））连接，会对各柜柜间的接地地系统产生生耦合，这这对本安地是是绝对不允允许的。48（2）存在于线线缆敷设的的问题本装置的电电缆绝大部部分采用环环氧树酯走走线槽架空空敷设的，起不了外层的屏蔽蔽作用。如果整个工工艺装置遭遭受雷击的的话，空间间的雷电电电磁场通过过电磁感应将高电位位通过线缆缆带入DCS将其损坏，，这可能是是最主要的的原因。49（3）其它存在在的问题A.要关注建筑筑物防雷装装置引下线的具体位置置，这对线线缆敷设以以及盘柜的布置有有着举足轻轻重的影响响。B.要核实该DCS的电磁兼容性性（EMC）指标，特别是对对防雷有重重要影响的浪涌抗抗扰度指标标和脉冲磁磁场抗扰度度指标。因因为这牵涉涉到有否必必要对重要的的工艺参数数的I/O端口加设浪浪涌吸收器器（SPD）。（该装置采采用的DCS系统为美国Foxboro公司的I/A系列。）503从“亡羊补补牢”到““防患于未未然”51无论是雷害害的风险评评估，或者者是案例分分析，虽然然找出了问问题的症结所在，，由于是在在工程的施施工大体完完成或开工工之后，如如要作很大大的修改谈何何容易,而且这终究究是“亡羊补牢”。因此，，如果能在在工程的设计阶阶段就予以