分散控制系統(tǒng)雷擊故障及預控
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（云南電力技術(shù)有限責任公司，云南昆明650217）
摘要：以一起DCS溫度卡件雷擊損毀事故為例，介紹了接地網(wǎng)電氣完整性測試分析、循泵房防雷等級劃分及相應的外部防雷措施情況，探討了直擊雷和感應雷兩種危害產(chǎn)生的事故原因。結(jié)合接地阻抗、導通測試數(shù)據(jù)及現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)的接地扁鋼銹蝕斷裂情況，對接地網(wǎng)安全性狀態(tài)進行評估并指出潛在的風險。依照標準規(guī)程及反措要求，提出了加裝外部防雷措施、開展主接地網(wǎng)電氣完整性測試、地網(wǎng)腐蝕情況開挖檢查、信號電源回路裝設(shè)SPD、屏蔽5個方面預防措施，對DCS的改造、運行及防雷設(shè)計具有借鑒意義。
0引言
分散控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）在工業(yè)生產(chǎn)中能夠?qū)崿F(xiàn)分散控制與集中管理，具備技術(shù)先進、控制功能豐富、界面友好、可靠性高等優(yōu)點，得到了廣泛運用。在火力發(fā)電機組自控領(lǐng)域，DCS能夠?qū)CS、FSSS、DEH、脫硫脫硝等進行組態(tài)納入其控制范圍，其可靠與否直接關(guān)系到機組的安全穩(wěn)定運行。運行經(jīng)驗表明：DCS會發(fā)生通信異常、雷擊損壞、電磁干擾誤動作和電源系統(tǒng)等故障，嚴重情況下易導致機組跳閘的非計劃停運事故，因此，DCS可靠與否對機組安全、確保生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)濟效益有著重要意義。本文探討了某4×300 MW火電廠DCS雷擊事故的原因，依據(jù)現(xiàn)場檢查、試驗發(fā)現(xiàn)的缺陷，并結(jié)合標準、規(guī)程及反措要求提出了具體可行的防范措施。
1事故概述
2013年8月14日14時27分，某4×300 MW火力發(fā)電廠發(fā)生雷擊事件，造成1#機組DCS系統(tǒng)內(nèi)的1#循泵測溫11#卡件雷擊損毀，另外一次雷擊事件發(fā)生于2013年8月16日16時09分，造成2#機組DCS 1#循泵測溫11#卡件損毀。兩次事故損壞的均為11#卡件，該卡件共計8個測溫通道，分別采集2#機循泵推力瓦溫度、2#機循泵A相線圈溫度、2#機循泵B相線圈溫度、1#機上導瓦溫度、1#機下導瓦溫度2、1#機推力瓦溫度2、1#機C相線圈溫度及備用通道。
2現(xiàn)場檢查
2.1接地網(wǎng)電氣完整性測試及結(jié)果分析
為掌握一期循泵房DCS控制柜接地狀況，開展接地導通測試。首先選擇循泵房外電纜溝內(nèi)接地扁鋼作為可靠的、與主接地網(wǎng)連接的參考點，開展循泵房內(nèi)各接地引下線的導通狀況測試。
各構(gòu)筑物位置示意圖如圖1所示，接地導通測試數(shù)據(jù)如表1所示。
對接地導通測試數(shù)據(jù)進行分析，得出初步結(jié)論及建議。
①380 V/220 V一期循環(huán)水泵房MCC3#柜與主接地網(wǎng)連接狀況良好。
②交流380 V電源進線柜、2#機組-30#控制柜、380 V/220 V-期循環(huán)水泵房MCCl#柜導通值為400多毫歐，可能存在接地引線腐蝕或焊接處接觸不良情況，建議適時進行處理。
③2#機組-30#控制柜（即DCS監(jiān)控柜）下方電纜溝內(nèi)接地扁鋼與地網(wǎng)連接處于斷開狀態(tài)，經(jīng)檢查，該接地扁鋼引出至室外電纜溝后即懸空，未見與主地網(wǎng)有焊接點。考慮到電纜溝內(nèi)的動力、控制及信號電纜處于運行狀態(tài)，對接地扁鋼開展焊接工作存在一定風險，建議采用新放兩根電纜進行連接。
2.2循泵房防雷等級劃分
按照建筑物重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性和后果來進行建筑物防雷等級的劃分，以下分三步計算出一期循泵房的年預計落雷次數(shù)，以確定其防雷分類。
第一步：計算雷擊大地的年平均密度Ng，次／( km2 · a -1) 。
式中：Td為年平均雷暴日；63的取值參考了1971~2009年氣象部門相關(guān)統(tǒng)計資料。
第二步：計算與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積，km2。
式中：L、W、H分別為建筑物長、寬、高；其值分別取20、6、10（單位：m）。
第三步：得出建筑物年預計雷擊次數(shù)Ⅳ，次／年。
即一期循泵房遭直擊雷的可能性是19年1次。參照GB 50057 - 2010第3.0.4條第3款規(guī)定：“預計雷擊次數(shù)大于或等于0.05次/a，且小于或等于0.25次/a的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物或一般性工業(yè)建筑物，應劃為第三類防雷建筑物。”一期循泵房歸屬為第三類防雷建筑物。
依據(jù)GB 50057 - 2010第4.4條相關(guān)規(guī)定，第三類防雷建筑物外部防雷的措施宜采用裝設(shè)在建筑物上的接閃網(wǎng)、接閃帶或接閃桿，也可采用由接閃網(wǎng)、接閃帶或接閃桿混合組成的接閃器。接閃網(wǎng)、接閃帶應按規(guī)范規(guī)定沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷擊的部位敷設(shè)，并應在整個屋面組成不大于20 mx20 m或24 m×16 m的網(wǎng)格。接閃器之間應互相連接。專設(shè)引下線不應少于2根，并應沿建筑物四周和內(nèi)庭院四周均勻?qū)ΨQ布置，其間距沿周長計算不宜大于25 m。通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)：一期循泵房未按標準要求裝設(shè)接閃網(wǎng)、接閃帶或接閃桿等外部防雷措施，不符合GB 50057 -2010要求。
3事故原因分析
3.1直擊雷對循泵房的影響
通過圖1，看到該電廠生產(chǎn)區(qū)域各構(gòu)筑物相對位置關(guān)系。
與一期循泵房相鄰且高度遠遠高于該房屋的構(gòu)筑物有冷卻塔和鍋爐塔臺，而兩者中冷卻塔相對于一期循泵房距離較近，約為10 m。
直擊雷閃發(fā)生時最容易擊中的是相對位置較高的構(gòu)筑物。一期循泵房距地面高約10 m，單機30萬火力發(fā)電機組的冷卻塔可高達100 m，可把冷卻塔看作一基“避雷針”，計算其防直擊雷保護半徑，驗證一期循泵房是否在其保護范圍之內(nèi)。冷卻塔與循泵房位置如圖2所示。
1號冷卻塔在地面上的保護半徑按式(4)計算。
式中：rx為避雷針在hx水平面上的保護半徑，m；hx為被保護物的高度，m。
一期循泵房水平距離最遠點與高度為10 m兩點與冷卻塔的距離為20.9 m，該距離小于冷卻塔在地面上的保護半徑和在被保護物高度為10 m水平面上的保護半徑，即一期循泵房處于冷卻塔直擊雷保護范圍內(nèi)。
3.2 DCS遭受感應雷分析
研究成果表明雷電波沿10 kV輸電線侵入經(jīng)變壓器電容耦合至二次系統(tǒng)在MOA動作和未動作兩種情況下，二次過電壓可達46.7 kV和13 kV。二次系統(tǒng)接地不良好情況下，雷電的反擊過電壓亦可達數(shù)十千伏，而DCS卡件型式試驗和出廠試驗時耐受交流電壓僅2 000 V，數(shù)十千伏電壓無疑將造成溫度卡件損壞。
統(tǒng)計資料表明：建筑物雷擊事故的80%以上由雷電感應過電壓造成。
當落雷于循泵房附近時，瞬時的雷電流人地形成較高電位，通過接地導通表明DCS監(jiān)控柜未與主網(wǎng)可靠連接，因此，在電流人地處與DCS監(jiān)控柜間形成電位差，當電位差足夠大時，造成反擊，燒毀二次模塊、卡件；另外，當周圍土壤有劇變電磁脈沖時，依據(jù)電磁感
應原理，在二次電纜屏蔽層上會感應出過電壓，絕緣層擊穿過電壓侵入電纜芯線導致二次電子設(shè)備擊穿、燒毀。
4接地網(wǎng)安全性狀態(tài)評估
地網(wǎng)安全性狀態(tài)對表征接地網(wǎng)狀態(tài)的接地阻抗、接觸電壓、跨步電壓、地網(wǎng)電位分布等參數(shù)進行實測和數(shù)值分析，結(jié)合接地網(wǎng)完整性和腐蝕性檢查與診斷，綜合評價廠、站發(fā)生短路故障情況下，地網(wǎng)電位升高、接觸電壓和跨步電壓等指標是否滿足一、二次設(shè)備安全和人員安全的要求。
查閱主接地網(wǎng)接地阻抗測試報告，測試值為0.434Ω，滿足DU/T 596 -1996《電力設(shè)備預防性試驗規(guī)程》要求�？绮�、接觸電壓和電位分布未測量，雷電流入地時的電位升情況不明。在2.1條地網(wǎng)完整性測試結(jié)果表明：DCS控制柜接地引下線與主接地網(wǎng)為斷開狀態(tài)，是導致本次DCS溫度卡件雷擊損壞事故的直接原因。另外，后續(xù)檢查中電纜溝的另一側(cè)發(fā)現(xiàn)了接地扁鋼連接存在斷點，接地扁鋼銹蝕情況嚴重，拿撬桿用力去戳亦不能使銹蝕層完全脫落。
綜合上述，該廠接地網(wǎng)存在的安全隱患主要有：①施工后一直遺留的局部地網(wǎng)與主網(wǎng)斷裂，雷電流人地形成電勢差發(fā)生高電位對低電位放電反擊，誘發(fā)二次系統(tǒng)元件雷擊損壞事故；②運行20年后接地網(wǎng)腐蝕異常嚴重，接地阻抗值已逼近上限0.5Ω，存在接地阻抗超標、接地引線腐蝕斷裂后故障電流在接地網(wǎng)上形成的高電位導致繼電保護誤動、人身傷害風險。
5 防范措施及建議
5.1循泵房加裝外部防雷措施
計算表明：一期循泵房防直擊雷方面處于冷卻塔的保護范圍之內(nèi)，但是，雷云放電受很多因素的干擾，不排除一期循泵房遭受直擊雷可能性。因此，應按照GB 50057 - 2010要求裝設(shè)屋頂接閃帶、接閃網(wǎng)，并與主地網(wǎng)可靠連接。
5.2接地網(wǎng)完整性測試
DCS監(jiān)控柜未與主接地網(wǎng)可靠連接，冷卻塔遭直擊雷后，在電流人地處與DCS監(jiān)控柜間形成電位差，造成反擊，燒毀二次溫度模塊、卡件。本次檢查發(fā)現(xiàn)兩處接地扁鋼存在斷點，其余監(jiān)控、保護、通信等二次弱電設(shè)備也存在未與主網(wǎng)可靠連接的可能性，建議開展二次屏柜接地電阻測量及接地導通試驗，測試值應滿足標準規(guī)程或制造廠的要求。
5.3接地網(wǎng)開挖檢查
鑒于該廠主接地網(wǎng)運行已超過20年，結(jié)合本次檢查中發(fā)現(xiàn)的腐蝕、斷裂情況，建議開展接地網(wǎng)的開挖檢查工作，做好文字、圖片、視頻等記錄，撰寫接地網(wǎng)開挖檢查報告并存檔，以便與后續(xù)的開挖檢查做參考對比，分析存在的接地網(wǎng)安全隱患并制定整改措施或計劃。
5.4安裝浪涌保護器
浪涌保護器( surge protection device，SPD)能把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設(shè)備所能承受的電壓范圍內(nèi)，同時將電路上的雷電電流導人大地。為防止DCS電源模塊損壞，應采用在電源總進線處、分配電箱處及DCS電源插座處裝設(shè)浪涌保護器的三級避雷保護方式，并且電源應當采用TN -S方式接地以保證裝置運行中外殼不帶電位。裝設(shè)I/O模塊浪涌保護器，其插入損耗、分布電容、額定電壓等參數(shù)應滿足要求。另外，根據(jù)現(xiàn)場具體情況亦可采取加裝信號隔離器、安全柵等措施。
5.5屏蔽
循泵房的籠式防雷系統(tǒng)具備屏蔽、均衡懸浮電位功能，對DCS等電子系統(tǒng)具備較好的防護功能。對于雷電活動頻繁、雷擊風險較高的DCS防雷可使用電纜雙層屏蔽技術(shù)，外屏蔽層雙端接地用于防感應過過電壓，內(nèi)屏蔽層單端接地防止靜電感應，屏蔽層兩端做等電位連接并接地。電纜走線路徑應考慮盡量減小電磁感應環(huán)路面積，當信號電纜與動力電纜同路徑敷設(shè)時二者的間距應滿足GB 50343 - 2012要求。
6結(jié)束語
發(fā)電廠以接地阻抗值作為評判接地網(wǎng)性能優(yōu)劣的唯一指標已不滿足目前防雷接地科學技術(shù)水平發(fā)展趨勢，影響接地網(wǎng)安全運行的因素除接地阻抗外，還有地網(wǎng)電位升、跨步電壓、接觸電壓、熱穩(wěn)定性、腐蝕和地網(wǎng)完整性等方面，因此，開展發(fā)電廠接地網(wǎng)安全性狀態(tài)評估，辨識接地網(wǎng)運行中存在的風險并采取有針對性的整改措施十分必要。
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