石化、化工等行业控制系统防雷技术研究.ppt

1、石化、化工等行业控制系统防雷技术研究,关象石 IEC/TC81/WG3 中国专家 E-mail:主要内容,1 雷电灾害 2 综合防雷技术的组成 3 控制系统的雷电防护,雷 电,云际闪发生在雷云之间 云内闪发生在雷云内部 云地闪发生在雷云与大地之间， 又称直击雷 球形雷一种特殊的带电球体,直击雷,闪电直接击在地面上，产生电效应、热效应和机械力（冲击波）,雷击电磁脉冲（LEMP）,因直击雷的路（雷电流引入）和场（空 间电磁场）效应，对电气和电子设备的破坏,第一部分 雷电灾害,直击雷灾害 雷击电磁脉冲（LEMP）造成的损 害和损失,雷击点、损害类型和损失类型,L2，L4 L

2、2，L4,雷击点、损害类型和损失类型 损害类型 D1：接触和跨步电压导致的人员伤亡（人 和牲畜） D2：实体损害 D3：过电压导致的电气和电子系统的失效 损失类型 L1：生命损失 L2：向大众服务的公共设施的损失 L3：文化遗产损失 L4：经济损失,德国慕尼黑TELA保险公司,Statistics of damage 19941994年各种灾害造成的损害统计,0,5,10,15,20,25,30,35,Surge voltage/indir. strike 过电压/间接雷击,Drop/摔损,Burglary/破门盗窃,Negligence/过失，失职,Short circuit/短路,Wate

3、r/水害,Fire/火灾,Theft out of cars 偷窃机动车,Other/其它,11,1 %,9,3 %,8,7 %,4,3 %,3,6 %,3,4 %,2,2 %,23,6 %,33,8 %,Analysis of the W黵ttembergische Assurance Company,TT 04 CN 18.11.98,德国法兰克福ELELTRA WUBA保险公司,德国斯图加特火灾保险公司统计电涌损失（百分比）,1990,1997年赔款比例,奥地利大学Gugenbauev教授,人类科技进步的脚印,1.工业革命时代（17331878） 织布机（1733）、蒸发机（1765）、

4、电报（1835）、 电话（1876） 2.电气时代（1879 1946） 电灯（1879）、无线电（1894）、模拟机（1930） 数字机（1946） 3.电子时代（1947 1972） 晶体管（1947）、FORTRAN语言（1956）、集成电 路（1968） 4.信息时代（1973-） 1973年人类首次将1万个元件安在1cm2的集成电路上,耐受能量的变化,Damaging energy / 摧毁能量,电动机/发电机 滤波器线圈 电子管 继电器 电容器 二极管 晶体三极管 计算机部件 集成电路 能量 (Ws) 10.,可能损坏,肯定损坏,无损坏,-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4

5、-3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7,ws,ws,Ws,KWs,MWs,TT 06 CN 18.11.98,近年灾情,1989.8.12 黄岛油库5号罐雷击起火，大火燃烧了104小时，事故中19人 死亡，78人受伤。 1999.8.27 上海炼油厂105号罐雷击起火。 1990.7.10 江苏仪征输油泵站，有53m高的消雷器，遭雷击损坏油罐上 液位汁和送变器的集成块，仪表中断使用一年之久。1994.4.19又一次雷击损 坏11个油罐的光导电子液位汁，现场一次表和二次表。二次共经济损失 65万元。 1994.4 广石化在54m高消雷塔下遭雷击，计算机受损。 1997.4

6、7月间广州油制气厂多次雷击，中控室仪表损坏。 1998年夏，大连石化一罐区遭雷，18个罐的传感器损坏。,球型雷击一例,2001年7月11日下午，工体东路一号楼遭雷击，造成整座楼掉闸停电，十余户电视机高频头被击坏，有几人看到了有一火球从楼顶晃过，其中有一住户由于雷击使煤气表底冒出有一、二尺长的火苗，把闸门关了，火才熄灭，由于及时发现，未造成更大的损失。否则，后果不堪设想。,雷击灾害图片 - 雷击玻璃,第二部分 综合防雷技术,防雷如防洪,防雷如同防洪，其原理是为雷电流提供一低阻抗的通道，同时采取措施防止磁场和电场对设备的干扰（马宏达） 许颖院长防雷三道防线： 防线一：将绝大部分雷电接闪引入地下泄放

7、 防线二：阻塞侵入波沿金属线进入设备 防线三：限制被保护物上的过电压和过电流,直击雷防护（1）,“迄今为止，尚无一种方法和设备能改变大自然的气 象现象阻止雷电的发生，或阻止雷电击中建筑物及 附近大地”。 消雷、拒雷、阻雷、等离子避雷试图“人定胜天”，不 如认识雷电趋利避害。,“等离子体”避雷的“原理”,在探明雷云极性后，通过装置在受保护物上空产生极性相同的电离子层，利用同性相斥的原理，阻止雷云的闪击,“等离子体”避雷的不可行性：,投资过大，需专人管理 是否真的产生了电离子层有待测试证实 离子会遭大风吹散 如真可行则会保护甲而祸害了乙,雷云的极性,过去认为90%以上为负极性，不足10%为 正极性

8、雷云。 第27届ICLP（2004年）指出：发现了“双极性闪电”， 放电时将正电荷和负电荷均传递到地面。“等离子体”该产 生什么极性的离子层来对付“双极性”？,直击雷防护 （2）,安文思（葡萄牙传教士1640年来华，达37年）1668年中国的十二大奇迹，1688年译为英、法文。 “巨兽（皇宫上）的舌头指向空中，其腹内穿过金属条。金属条一端插入地里。这样，当闪电落在屋上或皇宫时，闪电就被龙舌引向金属条通道，并且直奔地下而消散，因而不致伤害任何人。人们清楚地看到，这个民族极有智慧，他们知道，如何以自己的劳动成果将美 和实用结合在一起，如何将聪明睿智寓于精致的工艺之中。”,直击雷防护（3）,1754

9、年前后，富兰克林、罗蒙诺索夫等一批欧美学者用试验证实“雷就是电”，并发明了用金属材料拦截雷闪（接闪）、引下线和接地装置的外部防雷装置（LPS）。 250年的实践证明，LPS是迄今唯一有效和广泛使用的直击雷防护装置。,滚球法（1）,滚球法（2）,滚球法（3）,接闪器规格（1）,注：扁钢厚度4mm,接闪器规格（2）,引下线规格,一般：圆钢直径8mm、扁钢截面48mm2 暗敷：圆钢直径10mm、扁钢截面80mm2 烟囱：圆钢直径12mm、扁钢截面100mm2 宜利用建筑物钢柱、消防梯等金属构件,人工接地体规格,水平接地体：圆钢直径10mm 扁钢截面100mm2 垂直接地体：角钢厚度4mm 钢管壁厚3

10、.5mm,对外部防雷装置的要求, 防 腐 热镀锌 涂漆 加大截面 阴极保护措施等 可利用 旗杆 围栏 装饰物等永久性 金属物接闪 断接卡 在0.31.8m处设置 保 护 地面1.7地下0.3m绝缘层 间 距 垂直或水平接地体间距5m,降阻方法和防跨步电压, 降阻方法 外引、深埋、降阻剂、换土 防跨步电压 距出入口（人行道）3m 小于3m时措施（取其一） 深埋不小于1m 包5080mm厚的沥青 沥青碎石地面厚5080mm，宽度 超过接地体2m,直击雷防护指标,注：粮棉堆场的避雷针滚球半径按100m计算,第一类 低压线路埋地敷设或埋地长度为： l 2 （不应小于15m） 第二类 严格型：低压线路埋

11、地方法同第 一类 架空金属管道25m内接地一次 一般型：低压线入户处加避雷器、接地5 入户前三杆接地10 和20 架空金属管道接防雷地 第三类 进出线和架空金属管道做等电位连接，架空线 加避雷器,防雷电波侵入,防雷电感应,第一类 金属物等电位连接 跨接：平行金属物间距小于100mm时，每30m一次 交叉净距小于100mm时，交叉处跨接 长金属物法兰盘过渡电阻大于0.03 时跨接 共地：电气、防雷电感应接地共用 第二类中（4、5、6种） 金属物等电位连接 跨接同第一类，但长金属物法兰盘不要求 共地，防雷电感应的接地干线与共地连接不少于两处,Application of Air Terminati

12、on Rods,Berechnung H S. A2,2293.ppt / 09.12.99 / OB,2293_a,屏蔽（1）,屏蔽（2）,建筑物屏蔽 入户金属管线的屏蔽 设备的屏蔽,屏蔽（3）,HO=io/2Sa（A/m） 1GS79.6A/m 首次雷击（25kHz）：1000/300/100 A/m 后续雷击（1MHz）：100/30/10 A/m,屏蔽（4）,H1= H0/10SF/20 （A/m）,屏蔽（5）,雷击在建筑物上，LPZ1中Vs的H1 H1=kHioW/dW dr 式中：dr点距顶的距离 dw点距壁的距离 kH形状系数，取0.01 W屏蔽的网格宽,等电位连接（1）,等电位

13、连接（2）,i,i,),1,1,2,),),),等电位连接（3）,金属立面,高度敏感的电子设备,等电位连接,等电位连接（5）,铜（钢）等电位连接带截面50mm2,EMC protection zone concept电磁兼容保护区方案,EMC PZ 0 (LPZ 0),(PZ = 保护区),EMC PZ 1,EMC,PZ 2,EMC,PZ 3,EMC,PZ 3,TT 371 CN 18.11.98,防雷区（1）,防雷区（2）,防雷区（3）,LPZOA区：本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全 部雷电流；本区内的电磁场强度没有衰减（直 击雷非防护区） LPZOB区：本区内的各物体不可能遭到大于

14、所选滚球半径 对应的雷电流直接雷击；本区内的电磁场强度 没有衰减（直击雷防护区） LPZ1区：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导 体的电流比LPZOB区更小；本区内的电磁场可能 衰减，这取决于屏蔽措施（第一屏蔽防护区） LPZn+1：后续屏蔽防护区，进一步减小流入电流和电磁场 强度的防护区,防雷区（4）,确定等电位连接的位置 确定等电位连接导体的最小截面 确定SPD的安装位置 确定SPD的选型 计算H1或H2，决定是否增加屏蔽措施,第三部分 控制系统的雷电防护,防雷技术的核心 防雷要从客观实际出发 防雷要讲经济效益 防雷要“看二头选中间”,系统的定义,内部系统建筑物内部或其上部需保护的

15、电气系统或 电子系统 电气系统组合了低压供电部件的系统 电子系统组合了敏感电子部件的系统，如信息技术 设备（ITE）、控制和仪表、无线电、电 力电子装置等,雷电流（1）,雷电流,雷电流（2）电荷量Qs和单位能量W/R的近似计算, Qs=（1/0.7）IT2 （C） W/R=（1/2）（1/0.7）I2T2 （J/） 条件：T1 T2,雷电流 （3）,二次闪电,三次闪电,一次闪电,闪电电流,闪电电流,0 - 10 - 20 - 30 - 40 80 60 40 20 0,0 20 40 60 80 100 120 140,0 200 400 600 8001000 1200 1400,雷电流（4

16、）8/20s与10/350 s之比为1:17.5,t(s),20,40,60,80,(kA) i,200,350,600,800,1000,1,80,400,设备耐压水平（1）,设备耐压水平 （2）,设备耐压水平（3）,设备耐压水平（4）,防雷需求,R1+R2+R3RT 应防雷 R1：生命危害 R2：公共设施的损失 R3：文物损失 RT：可承受的风险,防雷经济核算,CLCRL+CPM 应防雷 CL：未采取防雷措施可能产生的损失 CRL：采取防雷措施后仍可产生的损失 CPM ：防雷成本和维护费用,接地分析（1）,第一类：土壤电阻率500m时 R5m时无须补加接地体（ R= A/） 土壤电阻率在5

17、003000 m时 11-3600 R 时无须补加接地体 380,接地分析（2）,第二类：土壤电阻率3000 m时 R5m或A80m2 第三类：土壤电阻率3000 m时 防雷装置与其他接地装置和进出 建筑物金属管道相连,接地分析（3）,IEC62305-3中分： A型（单独的水平/垂直接地体） B型（利用建筑物基础钢筋或围绕建 筑物的环型人工接地体）,接地分析（4）,A型 1.不少于2个接地极 2.在土壤电阻率很低，接地电阻很容易低 于10时，无 其他要求 3.土壤电阻率较高，接地电阻不易达到 10以下时，对各类防雷建筑物的接地体有 一长度要求。,接地分析（5）,接地分析（6）,B型 1.第二

18、、三类防雷建筑物re 5m 2.第一类防雷建筑物： 总长度80%与土壤接触 环型地网的等效半径re = A/ re l （由上表查出）,接地分析（7）,a) b) c) 图 1 典型接地体的三种表示图,接地分析（8）,接地分析（9）25mm2铜导线,接地分析 （10）107mm2铜导线,接地分析 （11）,在高频（如1MHz）下， =Rf+2fL 很大 接地线成了天线 问题一：环路感应出高电位 Uoc/max=0b l H1/max/T1 问题二：引下线长度为干扰频率的波长的/4或奇 数位时产生谐振，能干扰设备正常工作,接地分析 （12）,图10 活动地板下专设等电位连接基准网,SPD（1）,

19、Components / 元器件,SPD（2）,电涌保护器目的在于限制瞬态过电压和分走电涌 电流的器件，它至少含有一非线性元 件。 电源SPD连接到低压配电系统的SPD。 信号SPD连接到电信和信号网络的SPD。 适用电压：直流1500V 交流1000V（rms）（50Hz）,SPD（3）,电源SPD T1（I级分类试验） 用标称放电电流In、1.2/50s冲击电压和10/350 s冲击电流Iimp做的试验，对应为电压开关型SPD T2（级分类试验） 用标称放电电流In、 1.2/50s冲击电压和8/20 s最大放电电流Imax做的试验，对应为限压型SPD。 T3（级分类试验） 用混合波（ 1

20、.2/50s和8/20 s）做的试验， 对应为组合型SPD。,SPD（4） 信号SPD,SPD（5）,第6.4.4条（GB50057） SPD必须能承受预期通过它们的雷电流，并应符合以下两个附加要求：通过电涌时的最大钳压，有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流。,SPD（6）,安装SPD的三项基本原则 安装SPD之后，在无电涌发生时，SPD不应 对电气（电子）系统正常运行产生影响。 安装SPD之后，在有电涌发生的情况下， SPD能承受预期通过的雷电流而不损坏， 并能箝制电涌电压和分走电涌电流 在电涌电流通过后，SPD应迅速恢复高阻状 态，切断工频续流。,SPD（7）,Uc最大持续运行电压 可以

21、持续加在SPD上而不导致SPD动作的最大交流电压（rms）或直流电压 为SPD的动作阈值，也是SPD的额定电压值。,SPD（8）,GB50057给定值与IEC给出的系数值相比偏大，原因是考虑我国供电系统的电压偏差较大，适当增加了系数值，给定值为： TT系统中 SPD安装在剩余电流保护器的负荷侧 Uc1.55Uo SPD安装在剩余电流保护器的电源侧 Uc1.15Uo TN系统中 Uc1.15U o IT系统中 Uc1.15U （U为线间电压，U = 3 Uo）,SPD（9）,原则上 Uc1.2Un 通信类型Un（V）Uc（V） DDN/X256或4060 18或80 ISDN 40 80 百兆以

22、太网 5 6.5 RS23212 18 视频线 6 6.5 现场控制线24 29,SPD（10）,SPD必须能承受通过它们的电流 级SPD Iimp冲击电流（10/350） 、级SPD In标称放电电流（8/20）,SPD（11）,方法一： 按GB50057中雷电流分配计算 方法二： 按GB16895.22中S1和S2的规定选取,SPD（12）,在LPZ0LPZ1区的MB处，SPD1： UC：1.15UO、1.55UO或1.15U UP2.5kV Iimp12.5kA（级），适用于S1和S2及S3和S4中架空线为木杆 In5kA（级），适用于S3和S4中架空线为金属杆 可不装：S3和S4型中金

23、属杆（25d/a）、埋地引入（l2）,SPD（13）,SPD（14）信号SPD选择,SPD（15）信号SPD在各LPZ的安装,图2 SPD安装在防雷区交界处的配置示例,SPD（16）,SPD（17）,两种相反的观点 因SPD后期工作量大，不维护比不装SPD的危害更大，一般情况下住宅不宜安装SPD 电源上安4级（或3、2级）SPD 信息线上安3级（或2、1级）SPD,SPD（18）,如果Up1k 0.8UW，仅需要SPDNo.1（安装在装置入口处）。 如果Up1k 0.8UW，除了SPDNo.1还应该安装SPD No.2 （Up2 0.8UW）。 Eq是电压耐受能力为UW的设备，如IEC 606

24、64-1中所定义。 k是考虑到可能的振荡得出的系数（1 k 2，见6.1.2）。 图4 是否需要附加保护的图例,SPD（19）,需要安装SPD2的条件 UP0.8UW SPD与受保护设备距离太长 建筑物内有雷击放电和内部干扰源产生的电磁感应场,SPD（20） Up电压保护水平,由生产厂提供的一个表征SPD限制电压 的性能参数。 Up 设备的耐受电压UW Up Uc,SPD（21）,SPD（22）,SPD（23）TT系统（SPD在RCD的电源测）,SPD（24）,SPD（25）,电涌保护器（SPD）安装在TT系统中剩余电流 保护器（RCD）的负荷侧,SPD（26）,SPD（27）,三相系统中：L-N为12.5kA时 N-PE为50kA（Iimp） 单相系统中：L-N为12.5kA时 N-PE为25kA（Iimp） 同样In值也要求为4倍或2倍 Up需考虑SPD串连后的值之和,SPD（28）,重点保证供电连续性,SPD（29）,重点保证保护连