变送器防雷击损坏的应对措施

周兴宏中国华电集团发电运营有限公司

变送器防雷击损坏的应对措施

周兴宏
中国华电集团发电运营有限公司

华电运营试运的尼日利亚欧莫托休二期4*125MW单循环燃机电厂，雷雨天气时发生过两次户外多型号变送器同时损坏的现象，经多方求证分析，得出雷击过电压烧损变送器的结论，经过对防雷装置的改进和完善，最终消除了隐患。

两线制变送器；雷击；同时故障；过电压；浪涌保护

故障描述

2013年04月14日17：23分30秒，尼日利亚翁多州电闪雷鸣，暴雨突袭，华电运营公司负责运维的某电厂（500MW燃机电厂）生产现场，在#1、#2、#3、#4机组闭式循环水系统、消防水系统、生活水系统、取水系统中露天布置的压力、流量、液位、差压24V/4～20mADC两线制变送器共15台同时输出故障，清单附后，运行人员在DCS系统上发现上述测点趋势图在17:23:30秒都同时发生异常跳变，DCS显示坏点。

此次故障现象让现场人员联想到2012年11月7日19：23出现的类似的故障，当时造成现场21台变送器烧损。

1、事故检查及初步分析

1.1经过华电运营热工维护人员初步检查，发现这些变送器在24V DC电源输入正常的情况下，输出信号都变成DC 30～40mA且维持不变，初步判断这些就地变送器的远传输出电路同时瞬间故障，这些就地变送器故障发生的原因可能与当时的天气有关，极有可能是遭受了瞬时雷击过电压冲击造成变送器过电压损坏。

1.2同类事故在2012年11月7日19：23分第一次出现过，当时也损坏大量变送器，经现场各单位分析讨论后，认为与电网电压不稳造成过电压有关，随后DCS厂家先后进行了DCS卡件软件升级、在DCS盘柜电源出口安装浪涌保护器等防范措施。

1.3本次检查DCS系统控制柜，测得DCS的UPS电源(245VAC) 和24VDC直流电源均正常，DCS的所有卡件均正常工作，DCS及就地仪表的接线柜装置接地符合DCS设计施工图，浪涌保护器工作正常，由此排除变送器电源侧串入高电压的可能。

1.4初步分析认为，雷击电压侵入变送器二次侧电缆是造成变送器损坏的唯一原因。

2、事故原因的确定

2.1从设计方面考虑，一期工程电厂无空冷器，即无避雷针，其循环水泵进出口母管压力、流量变送器没有设计防雷接地，未出现问题。二期按一期经验未设计防雷接地措施，因有空冷器设有避雷针，变送器估计距空冷器避雷针在10m之内，当在雷电作用下，这些变送器存在发生雷击损坏的可能。

2.2综合设计院、厂家及现场技术人员意见认为，雷击感应过电压导致了变送器损毁，冲击来自DCS和变送器间的电缆，同时冲击DCS和变送器，由于DCS侧采集回路设有过电压保护，所以DCS侧未受影响，变送器无浪涌保护装置，导致损毁。

2.3最终各方统一意见，认为变送器损坏的直接原因就是变送器未能承受超过其耐受电压的过电压冲击而损毁。而过电压只有两种：一个是系统内部的操作过电压，而对于低压、尤其是控制系统、弱电系统，操作过电压是微乎其微、可以忽略的；二是外部过电压或者说是雷击过电压，其对于某个设备的影响可以来自三个方面：

2.3.1直击雷产生的过电压，也就是雷直接打在该设备上产生的过电压。

2.3.2雷击电涌侵入过电压，雷击到别的物体，大部分雷电流被释放入地，有少部分雷电流通过电缆等金属导体传导到该设备上产生过电压。

2.3.3雷击感应过电压，雷击到设备附近，通过空间的电磁感应直接在设备上产生的过电压或者雷击到设备附近感应到电缆等金属导体上，再通过电缆传导到该设备上产生过电压。

2.4本工程运行近一年，高压系统、中压系统乃至低压系统都未出现雷击事故，说明了直接雷的防护设计没有问题。

3、技术防范措施分析

对于敏感的弱电系统或设备的雷电防护无论是国内或国际IEC或IEEE标准都是要求多层防护，就好像是鸡蛋有蛋壳一层防护、蛋白一层防护、蛋黄一层防护，最好将敏感设备放到蛋黄内受到多层保护，实际在工程中采用的保护措施如下：

3.1对于集中布置的在建筑物内的弱电设备其直接雷防护（无论是采用避雷针、避雷带或建筑物采用钢筋混凝土结构或钢结构）是很容易做到的；其雷击感应过电压防护采用屏蔽措施（可采用钢结构或钢丝网屏蔽结构具体视屏蔽的要求而定，并注意接地）也是不难做到的；对于雷击电涌侵入过电压或称传导过电压的防护只能采用加强接地和分层设置浪涌保护器或称过电压保护器，在同样的雷电冲击下，最先损坏的总是绝缘最弱或耐受电压最低的设备或部分，要使每个设备入口处的过电压控制在该设备耐受电压以下。

3.2对于分散在户外各处、且不高的弱电设备，其遭受直击雷的概率极低、且无法集中设置直击雷防护，其直击雷防护措施是：不设直击雷防护或者单个设备自己本身加强或设置直击雷防护。

4、采取的应对措施

考虑现场实际情况，经过各方讨论形成统一改进意见并实施如下：

4.1变送器本身加强外壳防护。采用封闭的金属外壳，其金属板材厚度至少在4mm以上（按照油罐的防雷标准为4mm以上），将敏感的变送器保护在其中，且外壳要可靠接地，可以起到防雨、防护直接雷和感应雷的综合作用。

4.2在各变送器入口加浪涌保护器，其安装要满足相关规范以及浪涌保护器厂家的要求，联接和接地线不能过长，要使浪涌保护器和连接线、接地线一起构成的残压与变送器的耐压相配合。

4.3检查各变送器附近的避雷针接地情况，一是要确保避雷针可靠接地且在接地处要加设集中接地装置，其接地电阻要不大于10Ω，二是尽可能拉开避雷针接地点与变送器以及电缆接地点的距离。

4.4至变送器的电缆穿钢管埋入地中至少在10m以上越长越好，这对于减少和衰减沿电缆传导的雷电侵入波很有好处。

5、取得的效果

经过一年多的运行考验，项目现场所有变送器再未发生过雷击过电压导致的损坏事故，证明以上措施行之有效，防止变送器过电压的层层保护措施发挥了重要作用。

[1]刘禾，白焰，李新利.火电厂热工自动控制技术及应用2009.2

[2]IEC1312.国际电工委员会雷电电磁脉冲的防护

[3]IEC1643-1.低压电力配电系统的电涌保护器

周兴宏（1974-），男，四川资中人，华电运营贵港发电有限公司工程师，1998年毕业于华北水利水电学院热动专业，从事海外燃机电厂项目管理工作。