DCS机房防雷措施与分析

彭绍川

（云南水富云天化有限公司装备运维中心，云南 水富 657800）

1 前言

在公司控制系统中，DCS控制是公司生产关键的控制系统，历年来，雷击对公司DCS控制系统的损害时有发生，本文以公司制水DCS机房为例进行分析，提出了DCS机房雷电伤害防治的思路及措施。

2 各种雷电危害的定义及表现形式

雷害一般有直击雷、雷电感应高电压和雷击引起的高电位反击3种。

（1）直击雷是指雷云直接通过建筑物或设备等对地放电所产生的电击现象，是能量最大的雷，其电流峰值可达100kA以上。如果把通信、电源线飞接入户，非常容易引雷入户，造成非常严重的损失。（2）雷电感应高电压是指雷电在雷云之间或对地放电现象后，可以通过附近的户外传输线路产生电磁感应并侵入设备，使电子设备遭到损害，其能量较小，但概率高。（3）高电位反击是指雷击时强大的雷电流经过引下线泄入大地，在接地体附近形成放射型的电位分布，连接在接地体上的设备可能遭受高压地电位反击。反击电压通过接地线入侵，其能量较大，是防雷工作的重点难点。

3 制水工艺DCS机房防雷设计案例

本节以制水工艺DCS为例，综合分析机房防雷的思路和措施。

3.1 雷电危害统计

DCS机房是属于生产工艺控制的核心机房，输入线路较多且多为弱电板件，受雷电的影响大，损害大，近年来雷电损害事件如下：（1）2020年8月11日，雷击导致电机状态显示为零，部分仪表参数异常，烧毁控制卡件3块，直接损失3万元。（2）2021年7月22日，雷击导致制水部分仪表指示坏值，系统出现波动，现场阀门关闭，经检查，仪表安全栅烧毁4块，AO卡件一块，直接损失2万元。（3）2022年3月17日，雷击导致DCS大面积显示坏值，控制卡通道故障，直接损失1.5万元。

3.2 DCS机房防雷现状调查

（1）环境调查1。机房位于金沙江河谷南面斜坡上，处于雷云流窜通道上。（2）环境调查2。机房前方有数个金属罐体，楼顶敷设金属彩钢瓦，厂房楼顶为水泥架构，金属彩钢瓦未接地。（3）土壤电阻率。电阻率实测300Ω·m，土壤电阻率较高。（4）机房接地网调查。未建设专用接地网，为构建物接地，电流泄放通道不足。（5）机房内接地线调查。多个机柜串联后接入接地排情况，连接方式存在问题。（6）机房供电调查。UPS供电且有隔离变压器，符合防雷要求。

3.3 DCS机房防雷设计的总体思路

依据雷电侵入机房的主要途径、方式，采取对应措施，阻断或降低雷电波的波值幅度，其防雷设计的总体思路如图1所示。

图1 DCS机房防雷系统

3.4 DCS机房防雷共用接地系统

共用接地系统提出是由于制水机房是属于旧有装置改造，地下复杂，已经不能在地下分开，从实际经验来说，采用合理的等电位连接和接入点的合理分布，同一个地网能满各种接地的需要。

接地网相关设计：

（1）接地电阻的构成。接地电阻主要取决于以下3个因素：①导体本身的电阻，这部分电阻基本可以忽略不计。②导体与土壤的接触电阻，这部分电阻占整体10%。③土壤的散流电阻，这部分电阻占整体90%。所以土壤电阻率的大小是决定接地电阻高低的决定性因素，影响土壤电阻率的因素为该处土壤的地质结构、降雨量、温度及环境。能改变的是导体本身的电阻、导体与土壤的接触电阻和土壤的散流电阻以及接地网规模的大小等，以满足接地网接地电阻值的规定。

（2）水平接地体的选择。直接影响导体截面的因素有热稳定性能和导体在土壤中的腐蚀速率。国标《交流电气装置的接地设计规范》规定的热稳定截面确定为：

式中，Sd为接地导体的截面(mm2)；Id为故障短路电流稳定值(A)；C为导体热稳定系数；Td为短路等效持续时间(S)。

取短路电流Id=24000A，可得接地导体界面积不小于155mm。综合经济性，选用150mm2铜包钢绞线。

（3）接地体的选择。接地材料种类繁多，目前使用的3种常用接地材料优缺点如下：一是镀铜钢。将高纯度电解铜通过电解原理，使其完全附着在钢芯上形成整体。优点：铜层与钢棒达到分子型结合，铜层均匀，铜纯度高，钢芯强度高，耐蚀性强，导电性能好,电气性能稳定。缺点：施工成本要求高，垂直接地体与水平接地体的连接为热熔焊接。二是热镀锌。钢材表面镀有锌的一种材料，能防止钢材表面遭受腐蚀，延长其使用寿命。优点：材料价格便宜，工艺简单。重要的是，能牺牲自身保护与之连接的钢构件（生产装置、管线等）的安全。缺点：由于镀锌钢型材表面积小，施工时用量比较大。三是非金属接地模块。非金属接地模块是以非金属材料为主的接地体，由导电性、稳定性较好的非金属矿物和电解物质组成。优点：①具有强吸湿保湿能力，介电常数增大，层间接触电阻减小，耐腐蚀性增强，能获得较小的接地电阻；②使用寿命长（30年）；③施工开挖量小。缺点：施工时，对焊接接头防腐处理要求较高，一次性投入费用大。考虑制水机房周围土壤结构、酸碱度、成本等因素，可选择铜包钢或接地模块作为接地极，本文以铜包钢材料为例，阐述计算过程。

（4）垂直接地极的埋设深度及间距计算。①深度。从单根接地极的接地电阻公式可以说明接地极形状、尺寸、深度与接地电阻大小有密切的关系。

式中，Rv为垂直接地极的接地电阻（Ω）；ρ为土壤电阻率（Ω·m）；L为垂直接地极长度（m）；d为接地极形体直径（m）；可以看出，接地极的深度是越深越好，综合开挖成本，设计接地极埋设深度在6m。

②间距。提高接地极的利用系数是在接地材料有限（制作成本）的情况下，尽可能降低接地电阻的有效方法。尽管不断增加接地极和增大地网面积总可以达到设计的要求，但这样做不经济。对于垂直接地极，由于多个接地极之间将相互产生屏蔽作用，因此接地极距离非常重要。理论上两根接地极之间相距无穷远时，K等于1。为尽可能降低屏蔽作用，可根据现场地理条件适当增加间距，以提高各单一接地极的利用系数，降低地网的散流电阻。埋设间距大于等于6m。

（5）接地网接地极数量计算。接地网方案设计的合理性和科学性同样决定地网接地电阻的大小。设计方案时要充分虑土壤的地质结构、面积、环境等，在此基础上，参照相关标准设计出理论上合理、合格的方案。根据GB/T50065-2011中列出的单口深孔计算公式为：

式中，RV为单孔深孔接地电阻值；L为单孔深度；D为单孔直径；K为综合利用系数。

根据公式：钻孔φ90mm孔，d等效直径为0.09，L取6m，K取0.6。

RV=300÷（2×3.14×6）×（ln(8×6÷0.09)-1×0.6=25.21Ω。

则多口竖井电阻值为：R并=1/(（1/25.21×n)/0.9，则达到R并小于1Ω时，竖井数量需要达到23口以上，综合确定竖井数量为30口。

30口并联竖井电阻值为R并=1÷(（1/25.21）×30)÷0.9=0.93Ω。

（6）接地网络布置设计。根据接地极数量计算和建设环境情况以及技术要求，充分利用周围绿化带，减少水泥地面开挖量，综合设计制水机房防雷接地网。

3.5 直击雷设计

由于DCS机房周围没有避雷针等防直击雷措施，且周围没有高大的金属构建，因此需要考虑增加直击雷防护措施，主要包含避雷针措施和机房楼顶避雷带措施。

（1）避雷针设计。避雷针设计考虑建设场地环境情况，根据对应的避雷针产品进行保护半径核算，确定避雷针的高度和直线距离，让被保护设备在避雷针的保护范围内，以提前预放电避雷针E.S.E为例，避雷针设计如下：①由于罐体高度为4m，考虑以后建设高度的需要，确定构建高度为6m；②考虑机房所在装置区域情况，避雷针建设位置等因素，确定避雷针需要保护的范围应在80m范围。

保护范围核算如下：

式中，Rp为保护半径；V为上行先导的抢先速度，取1m/us；ΔT为避雷针启动抢先时间；D为电击距离，按三类保护取值为60m；H：h高差6.8m（12.8-6）进行计算。

则计算Rp为67.97m。即使提前放电避雷针的ΔT抢先时间为10us，计算出单根12.8m高的提前放电避雷针在6m高的保护平面，保护半径也可达45.5m，也大于两针距离一般40m，满足机房直击雷预防需要。避雷针入地点需要远离DCS机房接地入地点15m以上。

（2）楼顶避雷带。在制水车间楼顶新安装避雷带，避雷带与DCS机房楼顶金属彩钢瓦通过圆钢相连接，连接方式采用电弧焊，金属彩钢瓦之间通过金属跳线进行电气连通，从而与新建避雷带一同起到防直击雷保护作用，与其他入地点间隔达到15m以上，防止发生雷电流反击。

3.6 机房内接地设计

（1）DCS机房接地网格。根据机房设备工作接地要求，同时结合机房的实际面积约4×7m，机房内部接地网格闭环连接，形成等电位环。等电位环采用铜排，规格不小于30×3mm，以有利于设备工作接地的需要，减少残余电压。（2）DCS接地网格引出线。环行等电位环与接地网络连接的引出线在不同方位应不少于2点，引出线选用150mm2铜包钢绞线。与其他入地点物理距离大于15m，防止雷电反击。（3）机柜接地。各个控制机柜工作接地排与等电位环的连接，采用16mm2以上铜绞线专线连接到等电位环。

3.7 DCS控制系统信号防雷

（1）引入控制机房的所有信号线均采用屏蔽电缆。（2）信号屏蔽电缆均应该一端且在机房内接地。（3）各信号电缆与机房接地排应独立接地，不允许串联接地，铜芯接地线规格不小于6mm2。（4）敏感开关量信号可采用中间继电器物理隔离方式，避免外部强电压影响弱电控制板件。（5）敏感模拟量应加装信号避雷器，降低外部大电流对控制板件的冲击。

4 DCS机房防雷措施总结

综上所述，制水DCS机房直击雷、雷电感应高电压和雷电反击措施主要有：（1）设计了一个符合机房类接地电阻值要求的共用地网，这是防雷设计中的基础。（2）设计建设2根避雷针，对DCS机房及其周边制水装置形成了直击雷防护。（3）DCS机房楼顶设计了避雷带和彩钢瓦等电位连接，形成了机房房屋直击雷和感应雷防护。（4）机房内部建设了等电位环，机柜工作接地和屏蔽接地单独接在等电位环上，防止由于各接地点存在电位差形成的环流。（5）引入机房的各类电缆采用了屏蔽电缆，且在机房单独接地，避免由于感应电流方向不一样造成的2次感应，屏蔽层良好的接地，及时泄放电缆感应到的高电压，削弱对屏蔽层内部信号的干扰。（6）引入机房的敏感信号，采用中间继电器方式或加装信号避雷器的的方式，直接削弱信号内感应到的干扰源峰值，避免对控制板件造成损坏。（7）完善各类入地线物理距离的方式，避免雷电流通过机房入地线反击对机柜板件造成损伤，在无法物理隔离点，加装等电位连接器等措施。任何设施的防雷措施均应兼顾技术和经济，选择合理的设计方案，以达到实际效果。