分散控制系统雷击故障及预控

董家斌 罗扬曙 王家陈 秦 忠 秦雄鹏 赵勇军

(云南电力技术有限责任公司，云南 昆明 650217)



分散控制系统雷击故障及预控

董家斌 罗扬曙 王家陈 秦 忠 秦雄鹏 赵勇军

(云南电力技术有限责任公司，云南 昆明 650217)

以一起DCS温度卡件雷击损毁事故为例，介绍了接地网电气完整性测试分析、循泵房防雷等级划分及相应的外部防雷措施情况，探讨了直击雷和感应雷两种危害产生的事故原因。结合接地阻抗、导通测试数据及现场检查发现的接地扁钢锈蚀断裂情况，对接地网安全性状态进行评估并指出潜在的风险。依照标准规程及反措要求，提出了加装外部防雷措施、开展主接地网电气完整性测试、地网腐蚀情况开挖检查、信号电源回路装设SPD、屏蔽5个方面预防措施，对DCS的改造、运行及防雷设计具有借鉴意义。

分散控制系统(DCS) 循泵房 直击雷 感应雷 接地阻抗 地网腐蚀 浪涌保护器(SPD)

Grounding impedance Grounding grid corrosion Surge protection device

0 引言

分散控制系统(distributed control system,DCS)在工业生产中能够实现分散控制与集中管理，具备技术先进、控制功能丰富、界面友好、可靠性高等优点，得到了广泛运用[1-3]。在火力发电机组自控领域，DCS能够将ECS、FSSS、DEH、脱硫脱硝等进行组态纳入其控制范围，其可靠与否直接关系到机组的安全稳定运行[4-,5]。运行经验表明：DCS会发生通信异常、雷击损坏、电磁干扰误动作和电源系统等故障，严重情况下易导致机组跳闸的非计划停运事故[6-10]，因此， DCS可靠与否对机组安全、确保生产企业经济效益有着重要意义。本文探讨了某4×300 MW火电厂DCS雷击事故的原因，依据现场检查、试验发现的缺陷，并结合标准、规程及反措要求提出了具体可行的防范措施。

1 事故概述

2013年8月14日14时27分，某4×300 MW火力发电厂发生雷击事件，造成1#机组DCS系统内的1#循泵测温11#卡件雷击损毁，另外一次雷击事件发生于2013年8月16日16时09分，造成2#机组DCS 1#循泵测温11#卡件损毁。两次事故损坏的均为11#卡件，该卡件共计8个测温通道，分别采集2#机循泵推力瓦温度、2#机循泵A相线圈温度、2#机循泵B相线圈温度、1#机上导瓦温度、1#机下导瓦温度2、1#机推力瓦温度2、1#机C相线圈温度及备用通道。

2 现场检查

2.1 接地网电气完整性测试及结果分析

为掌握一期循泵房DCS控制柜接地状况，开展接地导通测试。首先选择循泵房外电缆沟内接地扁钢作为可靠的、与主接地网连接的参考点，开展循泵房内各接地引下线的导通状况测试。

各构筑物位置示意图如图1所示，接地导通测试数据如表1所示。

图1 构筑物布局图

表1 接地导通测试数据

对接地导通测试数据进行分析，得出初步结论及建议。

① 380 V/220 V一期循环水泵房MCC3#柜与主接地网连接状况良好。

② 交流380 V电源进线柜、2#机组—30#控制柜、380 V/220 V一期循环水泵房MCC1#柜导通值为400多毫欧，可能存在接地引线腐蚀或焊接处接触不良情况，建议适时进行处理。

③2#机组—30#控制柜(即DCS监控柜)下方电缆沟内接地扁钢与地网连接处于断开状态，经检查，该接地扁钢引出至室外电缆沟后即悬空，未见与主地网有焊接点。考虑到电缆沟内的动力、控制及信号电缆处于运行状态，对接地扁钢开展焊接工作存在一定风险，建议采用新放两根电缆进行连接。

2.2 循泵房防雷等级划分

按照建筑物重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果来进行建筑物防雷等级的划分，以下分三步计算出一期循泵房的年预计落雷次数，以确定其防雷分类。

第一步：计算雷击大地的年平均密度Ng，次/(km2·a-1)。

Ng=0.1Td=0.1×63=6.3

(1)

式中:Td为年平均雷暴日;63的取值参考了1971～2009年气象部门相关统计资料。

第二步：计算与建筑物截收相同雷击次数的等效面积，km2。

πH(200-H)]×10-6=0.008 4

(2)

式中:L、W、H分别为建筑物长、宽、高；其值分别取20、6、10(单位:m)。

第三步：得出建筑物年预计雷击次数N，次/年。 N=k×Ng×Ae=1×6.3×0.008 4=0.052 9

(3)

即一期循泵房遭直击雷的可能性是19年1次。参照GB 50057-2010第3.0.4条第3款规定：“预计雷击次数大于或等于0.05次/a，且小于或等于0.25次/a的住宅、办公楼等一般性民用建筑物或一般性工业建筑物，应划为第三类防雷建筑物。”一期循泵房归属为第三类防雷建筑物。

依据GB 50057-2010第4.4条相关规定，第三类防雷建筑物外部防雷的措施宜采用装设在建筑物上的接闪网、接闪带或接闪杆，也可采用由接闪网、接闪带或接闪杆混合组成的接闪器。接闪网、接闪带应按规范规定沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设，并应在整个屋面组成不大于20 m×20 m或24 m×16 m的网格。接闪器之间应互相连接。专设引下线不应少于2根，并应沿建筑物四周和内庭院四周均匀对称布置，其间距沿周长计算不宜大于25 m。通过现场检查发现：一期循泵房未按标准要求装设接闪网、接闪带或接闪杆等外部防雷措施，不符合GB 50057-2010要求。

3 事故原因分析

3.1 直击雷对循泵房的影响

通过图1，看到该电厂生产区域各构筑物相对位置关系。

与一期循泵房相邻且高度远远高于该房屋的构筑物有冷却塔和锅炉塔台，而两者中冷却塔相对于一期循泵房距离较近，约为10 m。

直击雷闪发生时最容易击中的是相对位置较高的构筑物。一期循泵房距地面高约10 m，单机30万火力发电机组的冷却塔可高达100 m，可把冷却塔看作一基“避雷针”，计算其防直击雷保护半径，验证一期循泵房是否在其保护范围之内。冷却塔与循泵房位置如图2所示。

图2 冷却塔与循泵房位置示意图

依据文献[11]第5.2条，1号冷却塔在地面上的保护半径按式(4)计算。

(4)

一期循泵房高度hx为10 m(hx<0.5h)水平面上的保护半径为：

rx=(1.5h-2hx)P=(1.5×100-2×10)×

(5)

式中：rx为避雷针在hx水平面上的保护半径，m；hx为被保护物的高度，m。

一期循泵房水平距离最远点与高度为10 m两点与冷却塔的距离为20.9 m，该距离小于冷却塔在地面上的保护半径和在被保护物高度为10 m水平面上的保护半径，即一期循泵房处于冷却塔直击雷保护范围内。

3.2 DCS遭受感应雷分析

文献[12] 研究成果表明雷电波沿10 kV输电线侵入经变压器电容耦合至二次系统在MOA动作和未动作两种情况下，二次过电压可达46.7 kV和13 kV。二次系统接地不良好情况下，雷电的反击过电压亦可达数十千伏，而DCS卡件型式试验和出厂试验时耐受交流电压仅2 000 V，数十千伏电压无疑将造成温度卡件损坏。

统计资料表明：建筑物雷击事故的80%以上由雷电感应过电压造成。

当落雷于循泵房附近时，瞬时的雷电流入地形成较高电位，通过接地导通表明DCS监控柜未与主网可靠连接，因此，在电流入地处与DCS监控柜间形成电位差，当电位差足够大时，造成反击，烧毁二次模块、卡件；另外，当周围土壤有剧变电磁脉冲时，依据电磁感应原理，在二次电缆屏蔽层上会感应出过电压，绝缘层击穿过电压侵入电缆芯线导致二次电子设备击穿、烧毁。

4 接地网安全性状态评估

地网安全性状态对表征接地网状态的接地阻抗、接触电压、跨步电压、地网电位分布等参数进行实测和数值分析，结合接地网完整性和腐蚀性检查与诊断，综合评价厂、站发生短路故障情况下，地网电位升高、接触电压和跨步电压等指标是否满足一、二次设备安全和人员安全的要求。

查阅主接地网接地阻抗测试报告，测试值为0.434 Ω，满足DL/T 596-1996《电力设备预防性试验规程》要求。跨步、接触电压和电位分布未测量，雷电流入地时的电位升情况不明。在2.1条地网完整性测试结果表明：DCS控制柜接地引下线与主接地网为断开状态，是导致本次DCS温度卡件雷击损坏事故的直接原因。另外，后续检查中电缆沟的另一侧发现了接地扁钢连接存在断点,接地扁钢锈蚀情况严重，拿撬杆用力去戳亦不能使锈蚀层完全脱落。

综合上述，该厂接地网存在的安全隐患主要有：① 施工后一直遗留的局部地网与主网断裂，雷电流入地形成电势差发生高电位对低电位放电反击，诱发二次系统元件雷击损坏事故；② 运行20年后接地网腐蚀异常严重，接地阻抗值已逼近上限0.5 Ω，存在接地阻抗超标、接地引线腐蚀断裂后故障电流在接地网上形成的高电位导致继电保护误动、人身伤害风险。

5 防范措施及建议

5.1 循泵房加装外部防雷措施

计算表明：一期循泵房防直击雷方面处于冷却塔的保护范围之内，但是，雷云放电受很多因素的干扰，不排除一期循泵房遭受直击雷可能性。因此，应按照GB 50057-2010要求装设屋顶接闪带、接闪网，并与主地网可靠连接。

5.2 接地网完整性测试

DCS监控柜未与主接地网可靠连接，冷却塔遭直击雷后，在电流入地处与DCS监控柜间形成电位差，造成反击，烧毁二次温度模块、卡件。本次检查发现两处接地扁钢存在断点，其余监控、保护、通信等二次弱电设备也存在未与主网可靠连接的可能性，建议开展二次屏柜接地电阻测量及接地导通试验，测试值应满足标准规程或制造厂的要求。

5.3 接地网开挖检查

鉴于该厂主接地网运行已超过20年，结合本次检查中发现的腐蚀、断裂情况，建议开展接地网的开挖检查工作，做好文字、图片、视频等记录，撰写接地网开挖检查报告并存档，以便与后续的开挖检查做参考对比，分析存在的接地网安全隐患并制定整改措施或计划。

5.4 安装浪涌保护器

浪涌保护器(surge protection device,SPD)能把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备所能承受的电压范围内，同时将电路上的雷电电流导入大地。为防止DCS电源模块损坏，应采用在电源总进线处、分配电箱处及DCS电源插座处装设浪涌保护器的三级避雷保护方式，并且电源应当采用TN-S方式接地以保证装置运行中外壳不带电位[13]。装设I/O模块浪涌保护器，其插入损耗、分布电容、额定电压等参数应满足要求。另外，根据现场具体情况亦可采取加装信号隔离器、安全栅等措施。

5.5 屏蔽

循泵房的笼式防雷系统具备屏蔽、均衡悬浮电位功能，对DCS等电子系统具备较好的防护功能。对于雷电活动频繁、雷击风险较高的DCS防雷可使用电缆双层屏蔽技术，外屏蔽层双端接地用于防感应过过电压，内屏蔽层单端接地防止静电感应，屏蔽层两端做等电位连接并接地。电缆走线路径应考虑尽量减小电磁感应环路面积，当信号电缆与动力电缆同路径敷设时二者的间距应满足GB 50343-2012要求。

6 结束语

发电厂以接地阻抗值作为评判接地网性能优劣的唯一指标已不满足目前防雷接地科学技术水平发展趋势，影响接地网安全运行的因素除接地阻抗外，还有地网电位升、跨步电压、接触电压、热稳定性、腐蚀和地网完整性等方面，因此，开展发电厂接地网安全性状态评估，辨识接地网运行中存在的风险并采取有针对性的整改措施十分必要。

[10]吕永兴.和利时DCS常见故障原围分析及其解决措施[J].热力发电,2010,40(3):94-96.

[11]DL/T 620-1997 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].1997.

[12]仇炜,李景禄,马福,等.变电站二次系统防雷措施的探讨[J].电瓷避雷器,2009,42(2):27-31.

[13]GB 50065-2011 交流电气装置的接地设计规范[S].2011.

Lightning Failures of DCS and Preventive Control

With one of the accidents came from lightning failure of the temperature module of DCS as example,the electrical integrity testing and analysis of the grounding grid,the partition of lightning protection hierarchy for circulating water pump house,and corresponding external lightning protection measures are introduced; the causes of the accident are investigated from two types of the harm ways,i.e.direct lightning stroke and induction thunder.Combining with grounding impedance,conduction test data,and the corrosion fracture of grounding flat steel found in on-site inspection,the security conditions of the grounding grid is evaluated and the potential risks are pointed out.In accordance with the standard procedures and requirements of anti-measures,five preventive measures are proposed,including installing external lightning protection facilities,electric integrity test of main grounding grid; excavation inspection of grounding grid corrosion,equipping SPD for signal power supply loops,and shielding.These provide

for DCS retrofit,operation,and lightning protection design.

Distributed control system(DCS) Girculating water pump house Direct lightning stroke Induction thunder

TH86;TP277

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601017