控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,控制系统遭雷击,案例分析和雷害风险评定,Research analysis and risk assessment of lightning stroke events for control systems,徐义亨,3月,1,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第1页,1,控制系统遭雷击经典案例,2,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第2页,1.1,某污水处理装置雷击案例（电磁感应）,雷害时间：6月28日.,现场情况：,空阔、潮湿、有高压输电,线，是显著引雷点。,该装置DCS在厂长办公室,内设置了一个监控站，从控制室,到厂长办公室通信电缆，在室,外大约有6米一段长度是和建筑,物避雷带（相距仅100mm）平,行敷设。,事故情况：,因为避雷带中雷电流经过,电磁感应，将过电压、过电流沿,着通信电缆引入系统，将两端,网卡击穿。,避雷带,通信电缆,3,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第3页,处理方法：,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,以上距离。同时还应在金属走线槽两端接,地，槽与槽之间保持良好电气连接。,方案二：改用,光纤通信,。这当然是处理问题一个方案，但在,敷设光缆时一样也要注意光缆金属部分防雷接地。,一点思索：,该装置全部,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，全部,I/O,卡都安然无恙。,这就引发我们思索,-,关于信号传输线,双层屏蔽,为什,么能起到防雷作用。,4,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第4页,1.2,某企业离子膜装置和硫酸装置雷击案例（电磁感应）,控制室,硫酸装置,离子膜装置,全部电缆穿,金属管埋地,全部电缆用玻璃钢桥架敷设,5,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第5页,雷击时间：夏,雷击结果：硫酸装置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。,整改办法：将离子膜装置玻璃钢走线槽用不锈钢薄钢板包裹并隔,一定距离接地。,6,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第6页,整改办法,不锈钢板包,裹走线槽,接地干线,7,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第7页,1.3,某化工企业邻硝装置案例（还击）,雷害时间:3月17日.,事故情况:遭受雷击，现场多,台变送器（包含德国E+H液位,变送器）和对应AI卡同时被雷,击坏。,变送器,安装支架,自然接地,8,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第8页,事故原因：,因为控制系统采取单独接地，即便变送器电子线路在现场侧没,有工作接地，而且它和变送器外壳隔有一定间隙（或串接一个反向,二极管），但变送器外壳和金属安装支架（或与金属设备相连）形,成了,自然接地,。当变送器附近设备或建筑物遭雷击时，因为地电位,浮动，能够使变送器和控制系统两处,地电位差达几万、几十万,伏,，故经过信号电缆足以将变送器和控制系统,AI,卡同时击穿，或击,穿其中之一。,处理方法：,将变送器外壳和控制系统,经过共用接地网实现等电位接地,。,9,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第9页,雷电还击原理图,变送器,DCS,150,米,几万、几十万伏地电位差,地电位分布曲线,引下线,10,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第10页,1.4,1975,年在荷兰发生惊人案例（还击）,11,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第11页,雷击法拉第笼造成对法拉第孔内导线闪络,电缆,R,L,=1,法拉第孔,100kA,100kV,法拉第笼,12,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第12页,1.5,某石蜡加氢装置案例分析（屏蔽不到位）,雷害时间：7月8日下午4点。,事故情况：遭受雷击。使操作站,工控机主板被雷击坏。,事故原因：,1,）因为工控机所在机柜位于离大窗户和门口不到,0.8,米，,承受着和室外一样电磁场强度,。,2,）而工控机,外壳没有屏蔽接地；,3,）遭雷击时，,机柜门又半虚掩。,处理方法：,首先是工控机,外壳屏蔽接地,。其次，将控制室建筑物内钢筋、金属门窗等连接起来，进行,格栅屏蔽,。,13,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第13页,一点思索,：该石油化工企业和,石蜡加氢装置,相距不到,30,米,催化裂化装置,DCS,控制室，也为单层独立建筑物，因为设置了防,直击雷装置（避雷带），却安然无恙。可见,防直击雷装置对雷击电,磁脉冲（,LEMP,）有一定衰减作用,。所以，如控制系统所在控制,室是独立建筑物，其周围有高大建筑，如用滚球法确定高大建筑接,闪器保护范围，控制室所在独立建筑物在该保护范围内时，虽,然控制室所在独立建筑物能够不设防直击雷装置，但考虑到,防直,击雷装置对雷击电磁脉冲（,LEMP,）有一定衰减作用,，所以该建筑,物还是宜按,GB 50057,建筑物防雷设计规范,中要求,第三类防雷,建筑物,采取防直击雷办法。,14,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第14页,1.6,某石化企业沥青装置案例分析,雷害时间：7月21日。,15,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第15页,某石化总厂沥青装置控制室平面,16,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第16页,问题,1,：,在雷电当即，为何,CRT,显示器会发生,黑屏,？,2,秒钟后为何又自动恢复？,据现场调查，在遭雷击时，控制室内,UPS,没有发生停电事,故，控制器和操作站电源开关也没有断开过。显示器黑屏,2,秒钟后,又恢复到黑屏前显示画面，这说明操作站主机在黑屏后也没有,重新开启过（即一直处于通电状态）。,所以遭成显示器黑屏原因只能是,强大雷电电磁脉冲对阴极,射线管（,CRT,）内电子束产生干扰所至,。因为距控制室南墙大,窗户只有,3,米左右操作站，承受着和室外一样电磁场强度。,这种干扰产生后果是使显示器,失效,，而不是破坏。即显示器,在雷电电磁脉冲作用下，失去正常功效，过,2,秒钟干扰消失后又恢,复正常。,17,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第17页,问题,2,：,为何连接在,I/O,信号卡前面,LB900,型,齐纳安全栅,却安然,无恙，而,I/O,卡,却坏了？,由齐纳安全栅原理图可知，不论是由非本安端或现场端，当电,压超出一定值时，要过,毫秒级,时间（制造商提供数据）后方使,齐纳二极管,VD1,、,VD2,反向击穿并产生,雪崩,，从而将能量释放到地,里去。而雷电脉冲时间是,s,级，,远小于雪崩时间和快速熔断器,FA1,熔断时间。,再则，假如雷电波在金属导线内传输速度为每秒,15,万公,里，假定安全栅位于,DCS,前面,3,米,，则,从安全栅到,DCS,传输时间为,20ns,。假如一旦有雷电波从现场经过安全栅，还未等齐纳二极管产,生雪崩，雷电波已进入,DCS,系统，将,DCS,损坏，把进入雷电能量释,放掉同时从而也保护了安全栅。所认为何雷击时，,I/O,卡损坏,了，连接在,I/O,信号卡前面齐纳安全栅却安然无恙。,18,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第18页,齐纳安全栅原理图,19,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第19页,1.7,某石化企业苯酚装置案例分析（屏蔽不到位）,雷害时间：7月10日下午4点。,DCS机型：美国MOORE企业APACS型。,事故现象：,遭雷击时控制器内EPROM里程,序丢失。,原因分析：,控制器和所在机柜都没有屏蔽接地，,位于离大窗户（塑钢）不到1.8米，承,受着和室外一样电磁场强度。遭雷,击时，使128KEPROM内程序丢失。重新下装后正常。,20,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第20页,1.8,某燃气企业混配站案例分析,雷击时间：8月10日。,事故情况：遭受雷击在线控制系统中包含一台控制混合气含氧量,控制单元。该氧气分析装置是美国TELEDYNE分析仪表企业327RA,型产品，其中包含一台基于袖珍型燃料电池分析单元（美国专利,U.S.PAT.#3，429，796）和一台控制单元。因为它对整个混配过程,操作含有举足轻重作用，以至雷击后整个装置不得不停产，严,重地影响城市供气。,21,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第21页,电子线路分析：,我们查阅了控制单元信号输入部分电子线路,（见图），并依据替换下来损坏件是图,2,中,A2,（,OP07,）运算放大,器，,就能够说明，雷电波（高电位）是经过外部连接电缆从,TS6,2-,3,端，经过,A1,（,OP07,）运算放大器量程选择开关反馈通路直接进入,A2,（,OP07,）运算放大器，然后将其击穿。,22,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第22页,含氧控制单元信号输入电子线路图（局部）,23,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第23页,现场情况分析：,该含氧分析仪从安装在现场分析单元到控制,室内控制单元，总共有,7,根信号线相连，,中间相距约,150,米,，采取,是单层屏蔽电缆（控制室一端接地）。电缆沿深度为,700mm,、宽,约,800 mm,水泥地沟内敷设，沟内电缆,没有再用金属管和金属走,线槽保护,，即连接电缆没有采取双层屏蔽和两端接地办法。所经,之地又有,4,、,5,处和建筑物避雷带引下线接地点相距很近,。雷击,时，经过电磁感应将雷电波带入控制单元，将其损坏。,处理方法：,采取双层屏蔽电缆敷设。,24,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第24页,某燃气企业混配站电缆沟,电缆沟,25,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第25页,2 DCS,雷害风险评定,26,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第26页,概述,风险普通定义为遭受灾害和损失可能性，包含：,风险起源评定；,风险经济损失评定。,要对DCS进行雷害风险评定，首先要有一个评定标准。据查,阅，当前包括雷害风险评定标准有：,气象行业标准:气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范QX3-；,国际电信联盟标准:通信局站雷电损坏危险评定ITU-TK.39；,IEC标准:雷电灾荒风险评定IEC 62305；,国家标准:建筑物电子信息系统防雷技术规范GB 50343-。,我们以公布IEC标准“雷电灾荒风险评定IEC 62305”,和国家标准“建筑物电子信息系统防雷技术规范GB 50343-”作,为评定参考标准。,27,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第27页,本文仅讨论风险起源评定。其评定基本内容包含：,1,）依据当地域,年平均雷暴日,和,控制室建筑物以及工艺装置,长、宽、高计算,年预计雷击次数,；,2,）依据电源电缆和,I/O,电缆等效受雷面积计算,进控制室线缆年,预计雷击次数,；,3,）计算,年预计雷击总次数,。,4,）按防雷装置拦截效率确定,DCS,雷电防护等级,；,5,）存在,雷害隐患和改进办法,。,28,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第28页,2.1,建筑物年预计雷击次数,依据当地域年平均雷暴日和建筑物长、宽、高计算建筑物年预,计雷击次数。,例：,上海地域实际年平均雷暴日,Td=49.9d/a,（历史数据为,28.4d/a,）,29,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第29页,计算：,（,1,）,雷击大地年平均密度,即按地域年平均雷暴日,Td,换算成,每年每平方公里遭受雷击次数,。,按最新,IEC 62305,计算公式为：,Ng=0.1 T,d,=0.149.9=5.0,次,/km,2,a,（曾经用,0.023T,d,1.3,、,0.024T,d,1.3,来计算，美国现用,0.2T,d,来计算）,30,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第30页,(2),控制室所在建筑物等效受雷面积,注：,IEC 62305,Ae,是这么计算等效受雷面积：,经过建筑物顶部与其接触，将倾斜度为,1/3,直线，围绕建筑物,一周后与地面交接截面积为等效受雷面积（见下列图）。,对下列图所表示建筑物，其等效受雷面积为：,Ae=LW+6H(L+W)+9H,2,(m,2,),N,1,=k N,g,A,e,10,-6,（次,/,年）,式中,k,为和建筑物所处地理环境相关校正系数，它能够按下表选取。,31,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第31页,建筑物等效受雷面积,1,：,3,L,H,3H,W,32,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第32页,如建筑物含有复杂形状，比如在屋面上某个部位含有一定,高度凸出物，能够依据上述定义用作图法来计算建筑物等效受,雷面积。此时，一个能够接收,近似算法,以最高点 高度 三,倍画一个圆，其圆面积为：,Ae=9H,p,2,10,-6,(km,2,),33,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第33页,建筑物(电缆)相对位置,校正系数,k,位于山丘或山顶上孤立建筑物(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,0.5,34,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第34页,一点主要说明：,建筑物年预计雷击次数计算，除了控制室所在建,筑物外，还应包含含有变送器、执行器等控制设备,工,艺厂房或工艺框架。,（计算方法相同）,35,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第35页,2.2 进机柜室I/O电缆年预计雷击次数N2确定,IEC 62305,是这么计算进主控室电缆年预计雷击次数,N,2,：,进主控制室电缆年预计雷击次数,N,2,为：,N,2,=kNgA,l,10,-6,（次,/,年）,式中：,k,线路位置校正系数，它能够按上表选取。,A,l,雷击电缆等效受雷面积，它包含,雷击入户电缆等,效受雷面积,A,l1,和雷击入户电缆邻近区域等效受雷面积,A,l2,，即,A1=A,l1,+A,l2,。,36,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第36页,表,4.6,电缆等效受雷面积,Al,注：,1.Lc,是线路从控制室建筑物至现场第一个分支点或与相邻建筑物长度，单位为,m,，最大值为,1000m,，当,Lc,未知时，可假定,L=1000m,。,2.,为埋设电缆土壤电阻率，最大值可取,500m,。,3.,Ha,线路与工艺装置相接高度,m,；,Hb,线路与控制室建筑物相接高度,m,；,Hc,线路离地面高度,m,。,架空敷设,埋地敷设,雷击入户电缆,Al1,6HcLc-3(Ha+Hb),0.8Lc-3(Ha+Hb),1/2,雷击入户电缆邻近区域Al2,1000Lc,50Lc,1/2,37,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第37页,2.3,按雷击风险评定,DCS,雷电防护等级,（,1,）建筑物及进控制室,I/O,电缆年预计雷击次数,N,确实定,N=N,1,+N,2,+,N,3,=1.275(,次,/,年,),（,2,）可接收最大年平均雷击次数,Nc,计算,式中：,C,各类因子,C=C1+C2+C3+C4+C5,C,1,DCS,所在建筑物材料结构因子,，钢筋混凝土结构取,1.0,；,C,2,DCS,主要程度因子,，集成化程度较高低电压微电流设,备取,3.0,；,C,3,DCS,抗浪涌能力因子,，相当弱取,3.0,；,C,4,DCS,所在雷电防护区（,LPZ,）因子,，在,LPZ2,区取,0.5,；,C,5,DCS,发生雷击事故后果因子,，因中止后会产生严重后,果取,1.5,。,38,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第38页,控制系统所在建筑物材料结构因子,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,c,1,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,39,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第39页,控制系统主要程度因子,C2,控制系统,主要程度因子,等电位接地及屏蔽较完善设备,使用架空,线缆设备,集成化程度较高低电压微电流设备,c,2,2.5,1.0,3.0,40,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第40页,控制系统抗浪涌能力因子,C3,控制系统抗浪涌能力因子,普通,较弱,相当弱,c,3,0.5,1.0,3.0,41,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第41页,控制系统所在雷电防护区（,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,c,4,0.5,1.0,1.5,2.0,42,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第42页,控制系统发生雷击事故后果因子,C5,控制系统发生,雷击事故,后果因子,中止后不会,产生不良后果,中止后,无严重后果,中止后会产生严重后果,C,5,0.5,1.0,1.5,2.0,43,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第43页,所以,C=1+3+3+0.5+1.5+=9.0,=5.810,-1.5,/9.0=0.0206(,次,/,年,),即,本装置,DCS,因直击雷和雷电电磁脉冲损坏可接收年平均最大雷击次,数每年仅为,0.0206,次,。,44,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第44页,（,2,）防雷装置,拦击效率,E,计算,E=1-Nc/N=1-0.0206/,1.275,=0.984,依据,建筑物电子信息系统防雷技术规范（,GB 50343-,）,第,4.2.4,条款相关雷电防护等级要求：,当,E,0.98,时 定为,A,级；,当,0.90,E0.98,时 定为,B,级；,当,0.80,E0.90,时 定为,C,级；,当,E0.80,时 定为,D,级。,所以,本装置,DCS,雷电防护等级应划为,A,级,，即最高等级。,45,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第45页,2.4,存在隐患,(,以某企业加氢裂化装置为例）,（该装置采取,DCS,系统为,美国,Foxboro,企业,I/A,系列,。）,（,1,）存在于接地系统问题,A.DCS,系统采取,单独接地，,但其接地体和建筑物防直击雷接地体,相距,仅,12,米，小于规范标准要求,20,米距离,。,B.,本装置,全部现场变送器外壳和,DCS,系统都没有等电位接地,，而变,送器是因为安装支架自然接地。当变送器附近设备或建筑物遭,雷击时，经过,还击,能够使变送器和,DCS,失效或损坏。,C.,全部机柜接地汇流排没有采取分类汇总连接方法，现有所,谓,环路（即串联接地）连接,，会对各柜间接地系统产生耦合，这,对本安地是绝对不允许。,46,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第46页,（,2,）存在于线缆敷设问题,本装置电缆绝大部分采取环氧树酯走线槽架空敷设,，起不了,外层屏蔽作用。,假如整个工艺装置遭受雷击话，空间雷电电磁场经过电磁感,应将高电位经过线缆带入,DCS,将其损坏，这可能是最主要原因。,47,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第47页,（,3,）其它存在问题,A.,要关注建筑物防雷装置,引下线,详细位置，这对线缆敷设以及盘,柜布置有着举足轻重影响。,B.,要核实该,DCS,电磁兼容性（,EMC,）指标,，尤其是对防雷有主要影,响浪涌抗扰度指标和脉冲磁场抗扰度指标。因为这牵涉到有否必,要对主要工艺参数,I/O,端口加设浪涌吸收器（,SPD,）。,48,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第48页,3,从“亡羊补牢”到“防患于未然”,49,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第49页,不论是雷害风险评定，或者是案例分析，即使找出了问题,症结所在，因为是在工程施工大致完成或开工之后，如要作很大,修改谈何轻易,而且这终究是“,亡羊补牢,”。所以，假如能在工,程设计阶段就给予考虑,DCS,防雷方法，“防患于未然”才是处理,问题根本方法。,依据我们工作经验，特提出以下几个方面在今后新装置工,程设计阶段就给予充分考虑，并提供给大家参考。,50,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第50页,（,1,）对,DCS,系统以及和它相连变送器、执行器等必须采取,等电位,接地,。,（,2,）对外部电缆要采取,金属材质走线槽,，并采取,双层屏蔽和接地,办法；,I/O,电缆、电源电缆、通信电缆在室外敷设段应在双层屏蔽,前提下尽可能采取,埋地方式,，尤其是在进控制室前大于,15,米距离,内。同时要利用控制室建筑物结构钢筋、金属门窗等进行格栅屏,蔽。,51,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第51页,（,3,）,DCS,电源系统要采取,TN-S,系统接地方式,，以确保控制系统金属外壳（如机柜）在正常运行时不带电位。,（,4,）要防止走线桥架和控制柜靠近防直接雷装置引下线，控制柜和操作站也要和窗户、门口,保持一定距离,。,（,5,）在,DCS,机型选择时，必须要考虑它电磁兼容性（,EMC,）指标，尤其是,浪涌抗扰度,和,脉冲磁场抗扰度,。,（,6,）必要地方应设置浪涌吸收器（,SPD,）。之所以说“必要地方”是考虑到以下两个原因：,A.DCS,遭雷击毕竟是低概率事件，不能要求万无一失，所以设置浪涌吸收器必须要考虑用户经济承受能力；,B.DCS,本身含有一定浪涌抗扰度和脉冲磁场抗扰度，,而合理工程设计又能够大大地抑制雷电电磁脉冲耦合，,所以也没有必要过多地使用,SPD,。必要地方应设置,浪涌吸收器,（,SPD,）。,52,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第52页,总而言之，,DCS,防雷，它首先,取决系统工程环境,，包含采取,等电位接地系统，,I/O,信号电缆、电源电缆和通信电缆合理敷设，控,制室抗干扰设计以及供电系统设计等等。,不注意工程环境，即便是世界上一流产品,也不能免受雷电损,害。,其次，还取决于,DCS,本身电磁兼容性。要合理地使用浪涌吸收器,（,SPD,）。,53,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第53页,谢谢大家,54,控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估讲义,第54页,