第4-2章案例和風(fēng)險(xiǎn)評估ppt課件

1、1控制系統(tǒng)遭雷擊的案例分析和雷害的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)Research analysis and risk assessment of lightning stroke events for control systems 徐義亨2021年3月.21 控制系統(tǒng)遭雷擊的典型案例.31.1 某污水處置安裝雷擊案例電磁感應(yīng)雷害時(shí)間：2002年6月28日.現(xiàn)場情況： 空闊、潮濕、有高壓輸電線，是明顯的引雷點(diǎn)。 該安裝的DCS在廠長辦公室內(nèi)設(shè)立了一個(gè)監(jiān)控站，從控制室到廠長辦公室的通訊電纜，在室外大約有6米一段長度是和建筑物的避雷帶相距僅100mm平行敷設(shè)的 。事故情況： 由于避雷帶中的雷電流經(jīng)過電磁感應(yīng)，將過電壓、

2、過電流沿著通訊電纜引入系統(tǒng)，將兩端的網(wǎng)卡擊穿。避雷帶通訊電纜.4處理方法： 方案一：拉開間隔。將通訊電纜重新敷設(shè)，堅(jiān)持和避雷帶、引下線起碼要相隔2米以上的間隔。同時(shí)還應(yīng)在金屬走線槽的兩端接地，槽與槽之間堅(jiān)持良好的電氣銜接。 方案二：改用光纖通訊。這當(dāng)然是處理問題的一種方案，但在敷設(shè)光纜時(shí)同樣也要留意光纜金屬部分的防雷接地。一點(diǎn)思索： 該安裝的一切I/O信號電纜全部在0.8米以下并用金屬走線槽或穿金屬管埋地敷設(shè)，所以聽?wèi){雷擊，一切的I/O卡都安然無恙。 這就引起我們的思索-關(guān)于信號傳輸線的雙層屏蔽為什么能起到防雷的作用。.51.2 某公司離子膜安裝和硫酸安裝的雷擊案例電磁感應(yīng)控制室硫酸安裝離子膜

3、安裝全部電纜穿金屬管埋地全部電纜用玻璃鋼橋架敷設(shè).6雷擊時(shí)間：2006年夏雷擊結(jié)果：硫酸安裝的控制系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表無損壞；離子膜安裝損壞了許多輸入/輸出卡。整改措施：將離子膜安裝的玻璃鋼走線槽用不銹鋼薄鋼板包裹并隔一定間隔接地。.7整改措施不銹鋼板包裹走線槽接地干線.81.3 某化工公司鄰硝安裝案例還擊 雷害時(shí)間:2004年3月17日. 事故情況:蒙受雷擊，現(xiàn)場的多臺變送器包括德國的E+H液位變送器和對應(yīng)的AI卡同時(shí)被雷擊壞。 變送器安裝支架自然接地.9事故緣由： 由于控制系統(tǒng)采用單獨(dú)接地，即使變送器的電子線路在現(xiàn)場側(cè)沒有任務(wù)接地，而且它和變送器的外殼隔有一定間隙或串接一個(gè)反向二極管，但變送器的

4、外殼和金屬安裝支架或與金屬設(shè)備相連形成了自然接地。當(dāng)變送器附近的設(shè)備或建筑物遭雷擊時(shí)，由于地電位的浮動，可以使變送器和控制系統(tǒng)兩處的地電位差達(dá)幾萬、幾十萬伏，故經(jīng)過信號電纜足以將變送器和控制系統(tǒng)的AI卡同時(shí)擊穿，或擊穿其中之一。處理方法： 將變送器外殼和控制系統(tǒng)經(jīng)過共用接地網(wǎng)實(shí)現(xiàn)等電位接地。.10雷電還擊原理圖變送器DCS150米幾萬、幾十萬伏地電位差地電位分布曲線引下線.111.4 1975年在荷蘭發(fā)生的驚人案例還擊 .12雷擊法拉第籠呵斥對法拉第孔內(nèi)導(dǎo)線的閃絡(luò) 電纜RL=1法拉第孔100kA100kV法拉第籠 .131.5 某石蠟加氫安裝案例分析屏蔽不到位雷害時(shí)間：2004年7月8日下午4

5、點(diǎn)。事故情況：蒙受雷擊。使操作站的工控機(jī)的主板被雷擊壞。 事故緣由： 1由于工控機(jī)所在機(jī)柜位于離大窗戶和門口不到0.8米，接受著和室外一樣的電磁場強(qiáng)度。 2而工控機(jī)的外殼沒有屏蔽接地； 3遭雷擊時(shí)，機(jī)柜門又半虛掩。 處理方法： 首先是工控機(jī)的外殼屏蔽接地。其次，將控制室建筑物內(nèi)的鋼筋、金屬門窗等銜接起來，進(jìn)展格柵屏蔽。.14 一點(diǎn)思索：該石油化工企業(yè)和石蠟加氫安裝相距不到30米的催化裂化安裝的DCS控制室，也為單層的獨(dú)立建筑物，由于設(shè)置了防直擊雷安裝避雷帶，卻安然無恙?？梢姺乐睋衾装惭b對雷擊電磁脈沖LEMP有一定的衰減作用。所以，如控制系統(tǒng)所在的控制室是獨(dú)立建筑物，其周圍有高大建筑，如用滾球法

6、確定高大建筑接閃器的維護(hù)范圍，控制室所在的獨(dú)立建筑物在該維護(hù)范圍內(nèi)時(shí)，雖然控制室所在的獨(dú)立建筑物可以不設(shè)防直擊雷安裝，但思索到防直擊雷安裝對雷擊電磁脈沖LEMP有一定的衰減作用，所以該建筑物還是宜按中規(guī)定的第三類防雷建筑物采取防直擊雷措施。.151.6 某石化公司瀝青安裝的案例分析雷害時(shí)間：2003年7月21日。.16某石化總廠瀝青安裝的控制室平面.17問題1：在雷電的當(dāng)即，為什么CRT顯示器會發(fā)生黑屏？2秒鐘后為什么又自動恢復(fù)？ 據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，在遭雷擊時(shí)，控制室內(nèi)的UPS沒有發(fā)生停電事故，控制器和操作站的電源開關(guān)也沒有斷開過。顯示器黑屏2秒鐘后又恢復(fù)到黑屏前的顯示畫面，這闡明操作站的主機(jī)在黑屏

7、后也沒有重新啟動過即不斷處于通電形狀。 因此遭成顯示器黑屏的緣由只能是強(qiáng)大的雷電電磁脈沖對陰極射線管CRT內(nèi)的電子束產(chǎn)生的干擾所至。由于距控制室南墻大窗戶只需3米左右的操作站，接受著和室外一樣的電磁場強(qiáng)度。 這種干擾產(chǎn)生的后果是使顯示器失效，而不是破壞。即顯示器在雷電電磁脈沖的作用下，失去正常功能，過2秒鐘干擾消逝后又恢復(fù)正常。 .18問題2：為什么銜接在I/O信號卡前面的LB900 型齊納平安柵卻安然無恙，而I/O卡卻壞了？ 由齊納平安柵原理圖可知，無論是由非本安端或現(xiàn)場端，當(dāng)電壓超越一定值時(shí)，要過毫秒級的時(shí)間制造商提供的數(shù)據(jù)后方使齊納二極管VD1、VD2反向擊穿并產(chǎn)生雪崩，從而將能量釋放到

8、地里去。而雷電脈沖的時(shí)間是s級的，遠(yuǎn)小于雪崩時(shí)間和快速熔斷器FA1的熔斷時(shí)間。 再那么，假設(shè)雷電波在金屬導(dǎo)線內(nèi)的的傳輸速度為每秒15萬公里，假定平安柵位于DCS前面3米，那么從平安柵到DCS的傳輸時(shí)間為20ns。假設(shè)一旦有雷電波從現(xiàn)場經(jīng)過平安柵，還未等齊納二極管產(chǎn)生雪崩，雷電波已進(jìn)入DCS系統(tǒng)，將DCS損壞，把進(jìn)入的雷電能量釋放掉的同時(shí)從而也維護(hù)了平安柵。所以為什么雷擊時(shí)，I/O卡損壞了，銜接在I/O信號卡前面的齊納平安柵卻安然無恙。.19齊納平安柵原理圖.201.7 某石化公司苯酚安裝的案例分析屏蔽不到位雷害時(shí)間：2004年7月10日下午4點(diǎn)。 DCS機(jī)型：美國MOORE公司的APACS型。

9、事故景象： 遭雷擊時(shí)控制器內(nèi)的EPROM里的程序喪失。緣由分析： 控制器和所在機(jī)柜都沒有屏蔽接地，位于離大窗戶塑鋼不到1.8米，承受著和室外一樣的電磁場強(qiáng)度。遭雷擊時(shí)，使128K的EPROM內(nèi)的程序喪失。重新下裝后正常。.211.8 某燃?xì)夤净炫湔景咐治隼讚魰r(shí)間：2003年8月10日。事故情況：蒙受雷擊的在線控制系統(tǒng)中包括一臺控制混合氣含氧量的控制單元。該氧氣分析安裝是美國TELEDYNE分析儀表公司的327RA型產(chǎn)品，其中包括一臺基于袖珍型燃料電池的分析單元美國專利U.S. PAT.#3，429，796和一臺控制單元。由于它對整個(gè)混配過程的操作具有舉足輕重的作用，以致雷擊后整個(gè)安裝不得不

10、停產(chǎn)，嚴(yán)重地影響城市的供氣。 .22 電子線路分析：我們查閱了控制單元信號輸入部分的電子線路見圖，并根據(jù)交換下來的損壞件是圖2中的A2OP07運(yùn)算放大器，就可以闡明，雷電波高電位是經(jīng)過外部銜接電纜從TS6的2-3端，經(jīng)過A1OP07運(yùn)算放大器量程選擇開關(guān)的反響通路直接進(jìn)入A2OP07運(yùn)算放大器，然后將其擊穿。 .23含氧控制單元信號輸入的電子線路圖部分 .24現(xiàn)場情況分析：該含氧分析儀從安裝在現(xiàn)場的分析單元到控制室內(nèi)的控制單元，總共有7根信號線相連，中間相距約150米，采用的是單層的屏蔽電纜控制室一端接地。電纜沿深度為700mm、寬約800 mm的水泥地溝內(nèi)敷設(shè)，溝內(nèi)的電纜沒有再用金屬管和金屬

11、走線槽維護(hù)，即銜接電纜沒有采取雙層屏蔽和兩端接地的措施。所經(jīng)之地又有4、5處和建筑物避雷帶引下線的接地點(diǎn)相距很近。雷擊時(shí)，經(jīng)過電磁感應(yīng)將雷電波帶入控制單元，將其損壞。處理方法：采用雙層屏蔽電纜敷設(shè)。 .25某燃?xì)夤净炫湔镜碾娎|溝電纜溝.26 2 DCS雷害的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià).27 概述 風(fēng)險(xiǎn)普通定義為蒙受災(zāi)禍和損失的能夠性，包括：風(fēng)險(xiǎn)的來源評價(jià)；風(fēng)險(xiǎn)的經(jīng)濟(jì)損失評價(jià)。 要對DCS進(jìn)展雷害的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，首先要有一個(gè)評價(jià)的規(guī)范。據(jù)查閱，目前涉及雷害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的規(guī)范有：氣候行業(yè)規(guī)范:氣候信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)規(guī)范QX3-2000；國際電信聯(lián)盟規(guī)范:通訊局站雷電損壞危險(xiǎn)的評價(jià)ITU-TK.39；IEC規(guī)范:雷電

12、災(zāi)荒風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)IEC 62305；國家規(guī)范:建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范GB 50343-2004。 我們以2004年發(fā)布的IEC規(guī)范“雷電災(zāi)荒風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)IEC 62305和國家規(guī)范“建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范GB 50343-2004作為評價(jià)的參考規(guī)范。 .28 本文僅討論風(fēng)險(xiǎn)的來源評價(jià)。其評價(jià)的根本內(nèi)容包括： 1根據(jù)本地域的年平均雷暴日和控制室建筑物以及工藝安裝的長、寬、高計(jì)算年估計(jì)雷擊次數(shù)； 2根據(jù)電源電纜和I/O電纜等效受雷面積計(jì)算進(jìn)控制室線纜年估計(jì)雷擊次數(shù)； 3計(jì)算年估計(jì)雷擊總次數(shù)。 4按防雷安裝的攔截效率確定DCS的雷電防護(hù)等級； 5存在的雷害隱患和改良措施。 .292.1 建筑

13、物年估計(jì)雷擊次數(shù) 根據(jù)本地域的年平均雷暴日和建筑物的長、寬、高計(jì)算建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)。 例：上海地域?qū)嵺`的年平均雷暴日Td=49.9d/a歷史數(shù)據(jù)為28.4d/a .30計(jì)算： 1雷擊大地的年平均密度 即按地域的年平均雷暴日Td換算成每年每平方公里蒙受雷擊的次數(shù)。 按最新的IEC 62305的計(jì)算公式為： Ng=0.1 Td=0.149.9=5.0 次/km2a曾經(jīng)用0.023Td1.3、0.024Td1.3來計(jì)算，美國現(xiàn)用0.2Td來計(jì)算 .31(2)控制室所在建筑物的等效受雷面積注： IEC 62305 Ae是這樣計(jì)算等效的受雷面積的： 經(jīng)過建筑物頂部與其接觸，將傾斜度為1/3的直線，圍

14、繞建筑物一周后與地面交接的截面積為等效受雷面積見以下圖。 對以下圖所示的建筑物，其等效受雷面積為： Ae=LW+6H(L+W)+9H2 (m2) N1=k Ng Ae10-6次/年式中k為和建筑物所處地理環(huán)境有關(guān)的校正系數(shù)，它可以按下表選取。.32 建筑物等效受雷面積1：3LH3HW.33 如建筑物具有復(fù)雜的外形，例如在屋面上的某個(gè)部位具有一定高度的凸出物，可以根據(jù)上述定義用作圖法來計(jì)算建筑物的等效受雷面積。此時(shí)，一個(gè)可以接受的近似算法以最高點(diǎn)的 高度的 三倍畫一個(gè)圓，其圓面積為： Ae=9Hp210-6 (km2) .34建筑物(電纜)的相對位置校正系數(shù)k位于山丘或山頂上的孤立建筑物(電纜)

15、2.0孤立建筑物(電纜)：附近沒有其它物體1.0被其它物體或樹所包圍0.5.35一點(diǎn)重要的闡明： 建筑物年估計(jì)雷擊次數(shù)的計(jì)算，除了控制室所在建筑物外，還應(yīng)包括含有變送器、執(zhí)行器等控制設(shè)備的工藝廠房或工藝框架。 計(jì)算方法一樣.362.2 進(jìn)機(jī)柜室I/O電纜年估計(jì)雷擊次數(shù)N2確實(shí)定 IEC 62305是這樣計(jì)算進(jìn)主控室電纜年估計(jì)雷擊次數(shù)N2的： 進(jìn)主控制室電纜年估計(jì)雷擊次數(shù)N2為： N2= kNgAl10-6 次/年式中：k線路位置的校正系數(shù)，它可以按上表選取。 Al雷擊電纜的等效受雷面積，它包括雷擊入戶電纜的等效受雷面積Al1和雷擊入戶電纜臨近區(qū)域的等效受雷面積Al2，即A1=Al1+Al2。

16、.37表4.6 電纜的等效受雷面積Al注：1. Lc是線路從控制室建筑物至現(xiàn)場的第一個(gè)分支點(diǎn)或與相鄰建筑物的長度，單位為m，最大值為1000m，當(dāng)Lc未知時(shí)，可假定L=1000m。 2.為埋設(shè)電纜的土壤電阻率，最大值可取500m。 3.Ha線路與工藝安裝相接的高度m； Hb線路與控制室建筑物相接的高度m； Hc線路離地面的高度m。架空敷設(shè)埋地敷設(shè)雷擊入戶電纜Al16HcLc-3(Ha+Hb)0.8Lc-3(Ha+Hb) 1/2雷擊入戶電纜的鄰近區(qū)域Al21000Lc50Lc1/2.382.3 按雷擊風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)DCS的雷電防護(hù)等級1建筑物及進(jìn)控制室I/O電纜年估計(jì)雷擊次數(shù)N確實(shí)定 N= N1+ N

17、2 +N3=1.275(次/年)2可接受的最大年平均雷擊次數(shù)Nc的計(jì)算 式中：C各類因子 C=C1+C2+C3+C4+C5 C1DCS所在建筑物資料構(gòu)造因子，鋼筋混凝土構(gòu)造取1.0； C2DCS重要程度因子，集成化程度較高的低電壓微電流設(shè)備取3.0； C3DCS抗浪涌才干因子，相當(dāng)弱取3.0； C4DCS所在雷電防護(hù)區(qū)LPZ因子，在LPZ2區(qū)取0.5； C5DCS發(fā)生雷擊事故的后果因子，因中斷后會產(chǎn)生嚴(yán)重后果取1.5。.39控制系統(tǒng)所在建筑物資料構(gòu)造因子C1建筑物材料結(jié)構(gòu)因子 金屬結(jié)構(gòu) 鋼筋混凝土 磚混結(jié)構(gòu) 磚木結(jié)構(gòu) 木結(jié)構(gòu) c10.51.01.52.02.5.40控制系統(tǒng)重要程度因子C2 控

18、制系統(tǒng)重要程度因子等電位接地及屏蔽較完善的設(shè)備使用架空線纜的設(shè)備集成化程度較高的低電壓微電流設(shè)備c22.51.03.0.41控制系統(tǒng)抗浪涌才干因子C3 控制系統(tǒng)抗浪涌能力因子一般較弱相當(dāng)弱c30.51.03.0.42控制系統(tǒng)所在雷電防護(hù)區(qū)LPZ因子C4 控制系統(tǒng)所在雷電防護(hù)區(qū)（LPZ）因子LPZ2區(qū)或以上LPZ1區(qū)內(nèi)LPZB0區(qū)內(nèi)c40.51.01.52.0 .43控制系統(tǒng)發(fā)生雷擊事故的后果因子C5 控制系統(tǒng)發(fā)生雷擊事故的后果因子中斷后不會產(chǎn)生不良后果中斷后無嚴(yán)重后果中斷后會產(chǎn)生嚴(yán)重后果C50.51.01.52.0.44所以 C=1+3+3+0.5+1.5+=9.0 =5.810-1.5/9.

19、0=0.0206(次/年)即本安裝DCS因直擊雷和雷電電磁脈沖損壞可接受的年平均最大雷擊次數(shù)每年僅為0.0206次。.452防雷安裝攔擊效率E的計(jì)算 E=1-Nc/N=1-0.0206/1.275=0.984 根據(jù)第4.2.4條款有關(guān)雷電防護(hù)等級的規(guī)定： 當(dāng)E0.98時(shí) 定為A級； 當(dāng)0.90E0.98時(shí) 定為B級； 當(dāng)0.80E0.90時(shí) 定為C級； 當(dāng)E0.80時(shí) 定為D級。 所以本安裝的DCS的雷電防護(hù)等級應(yīng)劃為A級，即最高等級。.462.4 存在的隱患(以某公司的加氫裂化安裝為例該安裝采用的DCS系統(tǒng)為美國Foxboro公司的I/A系列。1存在于接地系統(tǒng)的問題A. DCS系統(tǒng)采用單獨(dú)接

20、地，但其接地體和建筑物防直擊雷的接地體相距僅12米，小于規(guī)范規(guī)范規(guī)定的20米間隔。B.本安裝一切現(xiàn)場變送器的外殼和DCS系統(tǒng)都沒有等電位接地，而變送器是由于安裝支架自然接地的。當(dāng)變送器附近的設(shè)備或建筑物遭雷擊時(shí)，經(jīng)過還擊可以使變送器和DCS失效或損壞。C.一切機(jī)柜的接地匯流排沒有采用分類匯總的銜接方法，現(xiàn)有的所謂環(huán)路即串聯(lián)接地銜接，會對各柜間的接地系統(tǒng)產(chǎn)生耦合，這對本安地是絕對不允許的。 .472存在于線纜敷設(shè)的問題 本安裝的電纜絕大部分采用環(huán)氧樹酯走線槽架空敷設(shè)的，起不了外層的屏蔽作用。 假設(shè)整個(gè)工藝安裝蒙受雷擊的話，空間的雷電電磁場經(jīng)過電磁感應(yīng)將高電位經(jīng)過線纜帶入DCS將其損壞，這能夠是最主要的緣由。.483其它存在的問題 A.要關(guān)注建筑物防雷安裝引下線的詳細(xì)位置，這對線纜敷設(shè)以及盤柜的布置有著舉足輕重的影響。B.要核實(shí)該DCS的電磁兼容性EMC目的，特別是對防雷有重要影響的浪涌抗擾度目的和脈沖磁場抗擾度目的。由于這牽涉到有否必要對重要的工藝參數(shù)的I/O端口加設(shè)浪涌吸收器SPD。.493 從“亡羊補(bǔ)牢到“防患于未然 .50 無論是雷害的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，或者是案例分析，雖然找出了問題的癥結(jié)所在，由于是在工程的施工大體完成或開工之后，如要作很大的修正談何容易,而且這終究是“亡羊補(bǔ)牢。因此，假設(shè)能在工程的設(shè)計(jì)階段就予以思索DCS的防雷措施，“防患于未然才是處理問題