控制系统遭雷击的案例分析和雷害的风险评估课件

再则，如果雷电波在金属导线内的的传输速度为每秒15万公 里，假定安全栅位于DCS前面3米，则从安全栅到DCS的传输时间为 20ns。如果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，把进入的雷电能量释 放掉的同时从而也保护了安全栅。所以为什么雷击时，I/O卡损坏 了，连接在I/O信号卡前面的齐纳安全栅却安然无恙。
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雷击法拉第笼造成对‘法拉第孔’内导线的闪络
100kA
法拉第笼
法拉第孔
电缆
100kV RL=1Ω
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1.5 某石蜡加氢装置案例分析（屏蔽不到位）
雷害时间：2004年7月8日下午4点。 事故情况：遭受雷击。使操作站 的工控机的主板被雷击坏。
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，承受着和室外一样的电磁 场强度。
穿金属管埋地敷设，所以任凭雷击，所有的I/O卡都安然无恙。
这就引起我们的思考-----关于信号传输线的双层屏蔽为什 么能起到防雷的作用。
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1.2 某公司离子膜装置和硫酸装置的雷击案例（电磁感应）
离子膜装置
全部电缆用玻 璃钢桥架敷设
控制室
硫酸装置
全部电缆穿 金属管埋地
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雷击时间：2006年夏 雷击结果：硫酸装置的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。 整改措施：将离子膜装置的玻璃钢走线槽用不锈钢薄钢板包裹并隔 一定距离接地。
因此遭成显示器黑屏的原因只能是强大的雷电电磁脉冲对阴极 射线管（CRT）内的电子束产生的干扰所至。因为距控制室南墙大 窗户只有3米左右的操作站，承受着和室外一样的电磁场强度。
这种干扰产生的后果是使显示器失效，而不是破坏。即显示器 在雷电电磁脉冲的作用下，失去正常功能，过2秒钟干扰消失后又恢 复正常。
通信电缆
网卡击穿。
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解决方法： 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米以上的距离。同时还应在金属走线槽的两端接 地，槽与槽之间保持良好的电气连接。
方案二：改用光纤通信。这当然是解决问题的一种方案，但在 敷设光缆时同样也要注意光缆金属部分的防雷接地。
一点思考： 该装置的所有I/O信号电缆全部在0.8米以下并用金属走线槽或
雷害时间：2002年6月28日.
现场情况： 空旷、潮湿、有高Байду номын сангаас输电
线，是明显的引雷点。 该装置的DCS在厂长办公室
内设立了一个监控站，从控制室 到厂长办公室的通信电缆，在室 外大概有6米一段长度是和建筑 物的避雷带（相距仅100mm）平 行敷设的 。
避雷带
事故情况：
由于避雷带中的雷电流通过
电磁感应，将过电压、过电流沿 着通信电缆引入系统，将两端的
控制系统遭雷击的
案例分析和雷害的风险评估
Research analysis and risk assessment of lightning stroke events for control systems
2012年3月
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1 控制系统遭雷击的典型案例
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1.1 某污水处理装置雷击案例（电磁感应）
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问题2：为什么连接在I/O信号卡前面的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，无论是由非本安端或现场端，当电 压超过一定值时，要过毫秒级的时间（制造商提供的数据）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。而雷电脉冲的时间是μs级的，远小于雪崩时间和快速熔断器 FA1的熔断时间。
解决方法：
将变送器外壳和控制系统通过共用接地网实现等电位接地。
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引下线
雷电反击原理图
变送器
150米
DCS
几万、几十万伏地电位差
地电位分布曲线
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1.4 1975年在荷兰发生的惊人案例（反击）
20 m
柳树
250 m 高的爆炸 浓烟
热电耦 煤油
28 m
200 m 测量电缆 至控制室
8m
0.48 的 8个接地极
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1.6 某石化公司沥青装置的案例分析
雷害时间：2003年7月21日。
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某石化总厂沥青装置的控制室平面
m
沥青装置 总汇线桥架
减压塔
接地极
机柜室
区
区
操作室
区 区
大面积窗户
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问题1：在雷电的当即，为什么CRT显示器会发生黑屏？2秒钟后为什 么又自动恢复？
据现场调查，在遭雷击时，控制室内的UPS没有发生停电事 故，控制器和操作站的电源开关也没有断开过。显示器黑屏2秒钟后 又恢复到黑屏前的显示画面，这说明操作站的主机在黑屏后也没有 重新启动过（即一直处于通电状态）。
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整改措施
不锈钢板包 裹走线槽
接地干线
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1.3 某化工公司邻硝装置案例（反击）
雷害时间:2004年3月17日.
事故情况:遭受雷击，现场的多 台变送器（包括德国的E+H液位 变送器）和对应的AI卡同时被雷 击坏。
安装支架 自然接地
变送器 8
事故原因：
由于控制系统采用单独接地，即便变送器的电子线路在现场侧没 有工作接地，而且它和变送器的外壳隔有一定间隙（或串接一个反向 二极管），但变送器的外壳和金属安装支架（或与金属设备相连）形 成了自然接地。当变送器附近的设备或建筑物遭雷击时，由于地电位 的浮动，可以使变送器和控制系统两处的地电位差达几万、几十万 伏，故通过信号电缆足以将变送器和控制系统的AI卡同时击穿，或击 穿其中之一。
2）而工控机的外壳没有 屏蔽接地；
3）遭雷击时，机柜门又 半虚掩。
解决方法：
首先是工控机的外壳屏
蔽接地。其次，将控制室建筑
物内的钢筋、金属门窗等连接
起来，进行格栅屏蔽。
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一点思考：该石油化工企业和石蜡加氢装置相距不到30米的 催化裂化装置的DCS控制室，也为单层的独立建筑物，由于设置了防 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）有一定的衰减作用。所以，如控制系统所在的控制 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 闪器的保护范围，控制室所在的独立建筑物在该保护范围内时，虽 然控制室所在的独立建筑物可以不设防直击雷装置，但考虑到防直 击雷装置对雷击电磁脉冲（LEMP）有一定的衰减作用，所以该建筑 物还是宜按《GB 50057 建筑物防雷设计规范》中规定的第三类防雷 建筑物采取防直击雷措施。