孫　龍

[摘要]依據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)、國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,結(jié)合曲阜中聯(lián)水泥總控室及分控站防雷工程實際,分析雷電侵害工業(yè)自動控制系統(tǒng)(DCS)的幾種途徑,對總控室及分控站綜合防雷措施作詳細(xì)介紹,并對其接地系統(tǒng)和等電位連接作闡述,從而提出防雷系統(tǒng)設(shè)計。

[關(guān)鍵詞]DCS防雷工業(yè)自動控制接地系統(tǒng)等電位連接

中圖分類號:TM92文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0920018-01

由于DCS大量采用VLSI COMS集成電路和CPU,普遍存在著絕緣強(qiáng)度低,抗過電壓、過電流及電磁脈沖能力差等致命弱點(diǎn),同時各現(xiàn)場傳感器安裝在工廠的各個環(huán)境之中,使DCS遭受雷擊的概率增大。

一、DCS雷電防護(hù)原理分析

(一)防雷系統(tǒng)設(shè)計理論依據(jù)

國際電工委員會IEC/TC-81有關(guān)防雷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、我國現(xiàn)行的國家防雷標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及在國際電工委員會防雷技術(shù)精華的基礎(chǔ)上制訂的各項防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,對我們的實際工作具有重要的指導(dǎo)意義。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中都重點(diǎn)提出了防雷系統(tǒng)中的兩個核心理論:防雷分區(qū)和等電位連接。

(二)防雷系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)采取的基本防雷措施

1.外部直擊雷防護(hù)采用避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等作為接閃器,通過引下線將雷電流泄放至接地裝置,確保建筑物免受直擊雷的侵襲。

2.內(nèi)部感應(yīng)雷防護(hù)是為保護(hù)建筑物內(nèi)部的設(shè)備以及人員的安全而設(shè)置的,是從整體上建立起三維的防護(hù)體系,主要包括加裝電涌保護(hù)器(SPD)、屏蔽、等電位連接等措施。

二、曲阜中聯(lián)水泥DCS防雷系統(tǒng)設(shè)計

(一)DCS防雷現(xiàn)狀分析。總控室位于變電站二樓,所在建筑物為框架結(jié)構(gòu),長約30m,寬20m,高16m,已安裝避雷網(wǎng)作為防直擊雷措施。屋面衛(wèi)星天線在避雷網(wǎng)保護(hù)范圍之內(nèi)。

5個分控站所在建筑物情況與總控室基本一致,供電、網(wǎng)絡(luò)、通訊等系統(tǒng)均未做防雷保護(hù)。

(二)DCS建筑物防雷分類及雷電防護(hù)等級。

1.總控室及分控站建筑物防雷分類確定。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-94(2000年版)附錄一中建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)的計算公式N1=kNgAe,計算如下:

K=1,總控室及分控站所處的地理環(huán)境無特殊性,k值取1。

Ng=0.024Td1.3=0.024×(29.1)1.3=1.92(次/km2·年),曲阜地區(qū)的年平均雷暴日Td=29.1天。

Ae=[LW+2(L+W)·+πH(200-H)]·10-6=0.015km2

N1=kNgAe=1×1.92×0.015=0.0288(次/年)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-94(2000年版)第二章第2.0.4條之規(guī)定,確定總控室及分控站建筑物為第三類防雷建筑物。

2.總控室及分控站電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級確定。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB50343-2004附錄A的要求,計算總控室及分控站電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級:

N2=Ng·A'e=(0.024Td1.3)·(A'e1+A'e2)=0.1536(次/年)

N=N1+N2=0.0288+0.1536=0.1824

Nc=5.8×10-1.5/C=5.8×10-1.5/(1.0+3.0+3.0+1.0+2.0+1.0)=0.017(次/年)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB50343-2004第四章第4.2節(jié)第4.2.3條的規(guī)定,N=0.1824>Nc=0.017,確定總控室及分控站電子信息系統(tǒng)應(yīng)安裝雷電防護(hù)裝置。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB50343-2004第四章第4.2節(jié)第4.2.3條的規(guī)定E=1-Nc/N=1-0.017/0.1824=0.91,0.90

確定總控室及分控站信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級為B級。

(三)總控室及分控站電源系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)措施?？偪厥椅挥谧冸娬镜亩?所在建筑物供電系統(tǒng)采用架空電纜從室外引入兩路6KV高壓電分別進(jìn)入一樓配電室的1#及2#變壓器,經(jīng)過6kV/0.38kV變壓及配電輸出后,向總控室及五個分控站供電,接地制式為TNC-S系統(tǒng)。一樓配電室輸出4路電源至交流電源屏、總控室空調(diào)照明配電箱、DCS柜UPS、同期柜,接地制式為TNC-S系統(tǒng),電力電纜總進(jìn)線穿越了LPZ0區(qū)與LPZ1區(qū)的界面,應(yīng)在總配電室2個低壓進(jìn)線柜內(nèi)、5個分空站的進(jìn)線柜內(nèi)各加裝一套標(biāo)稱放電電流為120KA的SPD,以此對總控室及分控站電源系統(tǒng)進(jìn)行第一級保護(hù)?？紤]老化或壽命終止后可能產(chǎn)生的過電流或接地故障對電源系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的影響,因此在SPD的電源側(cè)安裝過流保護(hù)裝置,此處選用125A熔斷器。

一樓配電室輸出4路電源至交流電源屏、總控室空調(diào)照明配電箱、DCS柜UPS、同期柜,接地制式為TNC-S,在這4路電源的分路空開后各加裝一套標(biāo)稱放電電流為80KA的SPD,以此對總控室電源系統(tǒng)進(jìn)行第二級保護(hù)。

總控室內(nèi)的電子設(shè)備耐沖擊電壓都比較低,一般在1.5KV以下,為進(jìn)一步降低殘壓,在總控室的DCS柜UPS前端、交流電源屏內(nèi)、總控室空調(diào)照明配電箱內(nèi)各加裝一套標(biāo)稱放電電流為40kA的SPD,在4臺計算機(jī)電源插座處各加裝一套插座式SPD。

(四)總控室計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)措施?？偪厥揖W(wǎng)絡(luò)柜內(nèi)設(shè)有1臺16口核心交換機(jī),核心交換機(jī)上連接了4臺計算機(jī)終端,傳輸速率為百兆,以上計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中均未加裝SPD做防雷保護(hù)。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)線穿越了LPZ0區(qū)與LPZ1區(qū)的界面,因為總控室電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級為B級,應(yīng)在核心交換機(jī)端口前端加裝1臺16口百兆交換機(jī)SPD,在4臺計算機(jī)網(wǎng)卡前端加裝4臺百兆網(wǎng)絡(luò)SPD。

(五)總控室電話系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)措施?？偪厥也捎眉芸针娎|引入2對電話線至室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)電話配線架,穿越了LPZ0區(qū)與LPZ1區(qū)的界面,無電磁脈沖防護(hù)措施,必須通過響應(yīng)時間為納秒(ns)級、標(biāo)稱放電電流大于或等于0.5KA的SPD進(jìn)行等電位連接,并應(yīng)滿足線路傳輸速率及帶寬要求。

(六)總控室天饋線系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)措施。衛(wèi)星信號接收機(jī)的天饋線在室外穿鋼管進(jìn)入室內(nèi),天饋線接口為BNC頭,首先應(yīng)將天饋線穿管的兩端直接連接到避雷網(wǎng)上,其次應(yīng)在天饋線于LPZ0區(qū)與LPZ1區(qū)的界面上即衛(wèi)星信號接收機(jī)前端加裝合適的SPD,SPD的工作頻率、平均輸出功率、接口形式及特性阻抗等都必須與系統(tǒng)相匹配。

(七)總控室及5個分控站通訊總線雷擊電磁脈沖防護(hù)措施。總控室DCS柜內(nèi)采用5根電纜與5個分控站進(jìn)行通訊。通訊電纜進(jìn)線穿越了LPZ0區(qū)與LPZ1區(qū)的界面,必須安裝響應(yīng)時間為納秒(ns)級、標(biāo)稱放電電流大于或等于0.5KA,的SPD,并滿足線路傳輸速率及帶寬要求。

三、綜述

隨著社會生產(chǎn)力的飛速發(fā)展,人們對生產(chǎn)過程自動化程度的要求越來越高,計算機(jī)控制系統(tǒng)(DCS)在生產(chǎn)過程控制中的應(yīng)用更加廣泛,其對于雷電流、雷擊電磁脈沖的耐受能力越來越低,它所設(shè)涉及的防雷項目是多方面的,必須從多方面考慮防雷保護(hù)措施。