DCS的防雷

3．3 DCS 的防雷
1. 3.9.1 雷电对DCS 危害的形式
直击雷对DCS 的危害：
当控制室建筑物的防直击雷装置在接闪时，强大的瞬间雷电流通过引下线流入接地装置，会使局部的地电位浮动，如果防雷的接地装置是独立的，它和控制系统的接地极如没有足够距离时，则两者之间会产生放电(反击)，从而对控制室
内的DCS 产生干扰或损坏。

雷电产生的雷电电磁脉冲，对DCS 的干扰有如下几种
形式：
1）当控制室建筑物的防直击雷装置在接闪时，在引下
线内通过强大的瞬间雷电流，如果在引下线周围的一定距离
内设有连接DCS 系统的电缆（包括电源、通信以及I/O 电
缆），则会产生电磁辐射，干扰或损坏DCS 系统。

如图11所示。

2）当控制室周围发生雷击放电时，会在种金属管道、电
缆线路上产生感应电。

如果这些管道和线路引进到控制室把电
压传到DCS 系统上，就会对DCS 系统生干扰或损坏。

如图12所示。

3）当空中携带大量电荷的雷云从控制室上空经过时，由于静电感应使地面某一范围带上异种电荷，当直击雷发生后，云层带电迅速消失，而地面某些范围由于散流电阻大，以至出现局部高电位，它会对周围的导线或金属物产生影响，这种静电感应电压也会对DCS 系统产生干扰或损坏。

如图6-3所示。

上述几种的雷电干扰形式，
最严重的干扰源是雷击造成的地电位浮动和引下线中雷电流
图11
的电磁辐射。

基于微电子器件的控制设备，都存在着耐压低，对电磁脉冲特别敏感的短处。

雷电引起的各种过电压可达数百乃至数千数万伏，而基于微电子器件的系统的耐压值都很低，一般承受不了正负5V的电压波动。

美国通用研究公司R.D.希尔用仿真试验建立的模型表明：对无屏蔽的计算机，当雷电电磁脉冲的磁通量密度超过0.03×T时，计算机会误动作，当超过2.4×T时，计算机会永久性损坏。

2. 3.9.2 DCS系统整体防雷考虑：
1、按规范设计安装DCS控制室防直击雷的装置
根据《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-94，2000年版）的规定，建筑物应根据其重要性、使用性、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为第一类防雷建筑物、第二类防雷建筑物和第三类防雷建筑物。

1)DCS控制室如作为独立的建筑物，应划为第三类防雷建筑物；
2)DCS控制室如果和生产装置在同一建筑物内，其防雷要求和防直击雷设施应联同生产装置的特点综合确定和设计；
3)DCS控制室为独立的建筑物，且在周围避雷针的保护范围内，可不设置防直击雷装置；
4)应将建筑钢筋混凝土内的配筋、金属门窗等联为一体，并接地。

2、合理布线
1）不得使用非金属的玻璃钢汇线桥架。

2）采用金属或带金属屏蔽网的汇线桥架时，应保证桥架间有良好的电气连接，并须在桥架的两端接地，如果桥架距离较长时，应每隔30米设一个接地点。

桥架的接地宜采用等电位联接。

3）单独走线的电缆（包括通信电缆）宜选用金属铠装电缆直埋敷设，埋地深度不小于700mm。

4）若单独走线的电缆（包括通信电缆）为一般电缆，应穿金属保护管敷设；金属保护管宜埋地敷设，埋地深度不小于700mm。

若金属保护管架空敷设，应保证金属保护管间有良好的电气连接，并须在金属保护管的两端接地，如果金属保护管的距离较长时，应每隔30米设一个接地点。

金属保护管的接地宜采用等电位联接。

5）若外部的线缆采用电缆沟方式敷设，电缆沟内的线缆敷设仍应满足第1、2、4条款的要求。

6）进入控制系统的线缆应离开独立避雷装置引下线（包括用作引下线的建筑配筋）和接地极有不小于2米的距离，如不可避免时，应采用金属屏蔽并接地。

3、选择合理的接地方式
尽量采用等电位联接方式，如因条件限制无法系统接地无法采用等电位接地时必须满足以下条件，
如DCS系统地采用等电位接地，防雷接地采用独立接地时，系统地与防雷地地下最小距离应大于3米；
如DCS系统采用独立接地装置, 防雷接地采用等电位接地时，两者在地下的最小距离应大于5米；
如DCS系统地与防雷地均为独立接地时，系统地与防雷地地下最小距离应大于20米；
DCS系统地与仪表接地和大电流高电压设备的接地点的距离不小于5米的距离；
DCS的接地电阻值不得大于4欧姆。

接地线尽可能选得短、粗、扁。

接地导线长度以30米以内为宜；导线的截面积至少应大于12mm2；
3. 3.9.3 等电位联接方式
等电位联接就是将导体作良好的电气连接，使它们之间的电位差降到最小，为雷电流提供低阻抗的连续通道泄放到大地。

等电位连接减小了系统内各金属部件和各系统间的电位差（并非是真正的等电位体），无论是从防雷的角度或者是从减小控制系统的共模干扰来看，这都是十分有益的。

1、S 型星形结构
等电位连接有S 型星形结构和M 型网状结构。

DCS 系统一般采用的是S 型星形结构（见下图），和共用接地系统实行单点接地，即一个接地基准点（ERP ）。

如图13、14所示。

2、ERP 的位置
我们在工程实践中发现，即便DCS 已采用等电位接地方式实现，但在接地网中的引入点不能和防雷地、大电流高电压设备的接地点相距太近，否则源源不断的电磁干扰会进入DCS 系统，信号中常常会出现不明的波形。

我们的经验是保持和防雷地、大电流高电压设备的接地点应有不小于5米的距离，否则DCS 系统同样难以理想地工作。

图13 图14
3、关于接地电阻值
在采用等电位连接方式时，为减少或避免工频干扰，DCS的接地电阻值仍不宜大于4欧姆。

4. 3.9.4 合理选用浪涌保护器（SPD）
1、SPD主要参数的选择
1）最大持续运行电压UC
允许持续施加于SPD端子间的最大电压有效值，等于SPD的额定电压。

例如，DCS的220V交流电源，可取UC大于1.55UO（UO=220V）；模拟量I/O端口可取UC =27V。

2）标称放电电流In
流过SPD的8/20us波形的放电电流峰值（kA)。

其值要按地区的雷暴日多少、地理位置、行业特点、单级或多级、价格等因素而定。

例如，一般电源系统可选大于15 kA；信号通信系统不小于3 kA 。

3）电压保护水平Up
冲击放电电流通过电压开关型SPD的最大放电电压，或通过电压限制型SPD时，在其端子上所呈现的最大电压峰值（残压）。

SPD的电压保护水平加上其两端引线的感应电压应与所属系统的基本绝缘水平和设备允许的最大电涌电压协调一致，一般不大于设备耐压水平的0.8。

4）响应时间
从暂态过电压开始作用于SPD的时间到SPD实际导通放电时刻之间的延迟时间。

它决定了SPD能否在浪涌一出现，就快速启动将浪涌的能量释放掉。

其值愈小愈好，一般要求小于5ns，对电源系统可放宽到小于25ns。

2、使用SPD的几点参考原则
1）凡经室外引入DCS的220/380V电源和系统的通信电缆，如该地区的平均雷暴日大于40d/a，且电缆的长度大于30m、小于50m时，宜在线路靠近DCS主要设备侧装设SPD；如果电缆的长度大于50m时，宜在线路两侧装设电涌保护器。

2）如该地区的平均雷暴日在25～40d/a范围内，且电缆的长度大于50m、小于100m 时，宜在线路靠近DCS主要设备侧装设电涌保护器；如果电缆的长度大于100m时，宜在线路两侧装设电涌保护器。

3）开关量I/O信号线路，原则上不考虑装设电涌保护器。

4）重要的模拟量I/O参数且满足前述条件1、2者可考虑装设SPD。

由于雷击是低概率事件，故不能用高投资以求“万无一失”。

注意：
1）当SPD用于本安回路时，应该使用经过本安或隔爆认证过的SPD；
2）SPD两端的引线应做到最短，一般应小于0.5米，SPD的接地线应尽可能短；
3）电涌保护器的连接线和接地线应采用多股铜线，通信和I/O信号电缆用SPD的接地线截面积应不小于2.5mm2。

电源用SPD的连接线及接地线截面积应符合下表要求；。