发电厂DCS系统的防雷与接地设计
一、前言雷电是一种自然放电现象，它具有极大的破坏力，对人类的生命、财产安全造成巨大的危害。自从人类进入到电气化时代以后，雷电的破坏由以直击雷击毁人和物为主，发展到以通过金属线传输雷电波破坏电气设备为主。随着近年来电子技术的飞速发展,人类对电气设备尤其是计算机设备的依赖越来越严重，同时电子元器件的微型化、集成化程度越来越高，而这些高精度的微电子设备内置大量的cmos半导体集成模块，导致过压、过流保护能力极其脆弱。（美国通用研究公司提供磁场脉冲超过0.07高斯，就可引起计算失效；磁场脉冲超过2.4高斯就可以引起集成电路永久性损坏。）结果是各类电子设备的耐过电压能力下降，遭雷电和过电压破坏的比例呈不断上升的趋势，对设备与网络的的安全运行造成严重威胁。据统计，全世界每年因雷害造成的损失高达十亿美元以上。
发电厂的通信系统、mis系统、dcs系统是对雷电分敏感的弱电子设备，特别是dcs系统如果出现故障，会严重影响发电厂的正常生产。今年造成300亿美元损失的美加大停电最初的起因就是雷击。由于有了这样深刻的教训，我国电力系统对雷电防护更加关注了。电力系统相关部门也正在采取更完善防护措施。
发电厂的厂房属国家级二类防雷建筑物，一般来说，在建厂时已经具备依据《建筑物防雷设计规范》gb50057-94设计的直接雷击防护措施，而且接地系统都做得很完善。但是对于内部的设备防雷目前还没有做到非常系统的防护。
二、一般防雷理论
2.1雷电侵入的途径
雷电对电气设备的影响，主要由以下四个方面造成：
1.直击雷直击雷蕴含极大的能量，电压峰值可达5000kv，具有极大的破坏力。如建筑物直接被雷电击中，巨大的雷电流沿引下线入地，会造成以下三种影响：
1．巨大的雷电流在数微秒时间内流下地，使地电位迅速抬高，造成反击事故，危害人身和设备安全。
2．雷电流产生强大的电磁波，在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压。
3．雷电流流经电气设备产生极高的热量，造成火灾或爆炸事故。
2.传导雷远处的雷电击中线路或因电磁感应产生的极高电压，由室外电源线路和通信线路传至建筑物内，损坏电气设备。
3.感应雷云层之间的频繁放电产生强大的电磁波，在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压，峰值可达50kv。
4.开关过电压供电系统中的电感性和电容性负载开启或断开、地极短路、电源线路短路等，都能在电源线路上产生高压脉冲，其脉冲电压可达到线电压的3.5倍，从而损坏设备。破坏效果与雷击类似。
2.2完善的雷电保护系统
完善的雷电保护系统设计结构如下：
那么概括的说，当今电子设备的防雷手段，主要采用分流、接地、屏蔽、等电位和过电压保护五种方法。
a.分流利用避雷针、避雷带或避雷网等将雷电流沿引下线安全地流入大地，防止雷电直接击在建筑物和设备上。
b.屏蔽计算机系统所有的金属导线,包括电力电缆、通信电缆和信号线均采用屏蔽线或穿金属管屏蔽，在机房建设中，利用建筑物钢筋网和其他金属材料，使机房形成一个屏蔽笼。用以防止外来电磁波（含雷电的电磁波和静电感应）干扰机房内设备。
c.等电位连接将机房内所有金属物体，包括电缆屏蔽层、金属管道、金属门窗、设备外壳等金属构件进行电气连接。
d.接地在计算机网络系统中，为保证其稳定可靠的工作、保护计算机网络设备和人身安全，解决环境电磁干扰及静电危害，需要一个良好的接地系统。接地和等电位连接方式。
e.过电压保护
在电子设备的信号线、电源线上安装相应的过电压保护器，利用其非线性效应，将线路上过高的脉冲电压滤除，保护设备不被过电压破坏。主要的保护器件为氧化锌压敏电阻、二极或三极放电管、快速箝位二极管等，根据需要进行组合，形成完整的防雷保护器。
2.3防雷分区
根据iec1312-1雷电电磁脉冲的防护标准，计算机系统的防雷保护区分为四个区域，各区交界处应作相应的防雷处理。各区划分如下：
lpz0a区：
直击雷作用区，处于建筑物避雷针系统保护区以外的区域，由于本区内所有物体均有可能遭受直接雷击，并可能导走全部雷电流；另外本区能所有物体均处于雷电电磁场最强处，故对于雷电的感应最强。
lpz0b区：
感应雷主作用区，处于建筑物避雷针系统保护区内，但未经空间首次电磁屏蔽，雷电作用电磁场并不衰减，处于此空间的所用可导电物体均可感应较强雷电流的区域。
lpz1区：
建筑物屏蔽区，本区内各物体不可能遭受直击雷，流往各导体的雷电流比0b区进一步减小，本区内电磁场也可能会衰减，取决于建筑物的屏蔽措施。
lpz2区：
房间屏蔽区，对于机房所处空间，应采用屏蔽措施，以进一步减小空间电磁场的干扰。
当金属导线（电源线、信号线等）穿越不同的保护分区时，因电磁感应的作用，会产生较高的过电压，影响室内设备的安全。因此，需安装相应的过电压保护器，对设备进行保护。在不同的保护分区，所采用的防雷器级别是不同的。同时，需要作相应的等电位处理。
进入建筑物大楼的电源线和通讯线应在lpz0与lpz1、lpz1与lpz2区交界处，以及终端设备的前端根据iec1312——雷电电磁脉冲防护标准，安装上obo之不同类别的电源类spd，以及通讯网络类spd(如图2)。(spd瞬态过电压保护器)，spd是用以防护电子设备遭受雷电闪击及其它干扰造成的传导电涌过电压的有效手段。
三、dcs系统防雷接地方案
dcs为分散控制系统的英文（totaldistributedcontrolsystem）简称。指的是控制危险分散、管理和显示集中。dcs分为三大部分，带i/o板的控制器、通讯网络和人机界面（hmi）。由i/o板通过端子板直接与生产过程相连，读取传感器来的信号。i/o板有几种不同的类型，每一种i/o板都有相应的端子板。
模拟量输入，4-20毫安的标准信号板和用以读取热电偶的毫伏信号板；4-16个通道不等；
模拟量输出，通常都是4-20毫安的标准信号，一般它的通道比较少，4-8个个通道；
开关量输入；16-32个通道：
开关量输出，开关量输入和输出还分不同电压等级的板，如直流24伏、125伏；交流220伏或115伏等；8-16个通道不等；
脉冲量输入，用于采集速率的信号；4-8通道不等；
快速中断输入；
hart协议输入板；
现场总线i/o板；
电力系统的dcs系统主要构架也如同上面所叙述的那样，但它下面的过程层dpu分为很多子系统：常规数据采集系统das、炉膛安全监控系统fsss、协调控制系统ccs、顺序控制系统scs、汽机电液调节系统deh、小汽机电液调节系统meh、汽机紧急跳闸系统ets、锅炉旁路控制系统bpc，还包括烟气脱硫控制系统fgdcs、电气控制系统ecs。
由于dpu单元都是反馈过来重要的过程量，如果由于雷击事故造成了数据的紊乱或者过程量的偏差，将会给正常的发电生产造成严重的后果，因此，dcs系统进行防雷保护是一种必不可少的防护措施。
3.1外接地网
一般电厂都采用联合接地。
3.2室内等电位连接
一般发电厂dcs控制机房的面积不大，可以采用4x40mm扁铜带沿机房墙壁0.5m处布放成环状作为工作地接地环，每根扁铜带需要用膨胀螺钉架空5—10cm铺设在地面上。此接地环要用4x40mm扁铜带或扁钢与直流接地引下线作焊接处理。
机房内的设备的接地线以最短的方式，直接连接到环状工作地接地环上。防静电地板的金属支架和静电地板下的线桥都应直接连接到环状工作地接地环上。
3.4通过防雷器建立等电位连接
3.4.1电源部分
电源部分采用两级防雷。
第一级电源防雷器采用v25-b/3npe电源防雷器。
在机房总配两路输入配电母线控制开关的次极出线端上安装v25-b/3npe电源防雷器，从三相电源进线侧引线v25-b/3npe，前面串联加装3pcs32a的空气开关，安装在主配电柜里面。
根据用户的需求，v25-b可以选择以下两种报警方式：
as声光报警模块附带声音与灯光报警的功能底座，给该底座供一220v单相市电，在正常的情况下灯光显示为绿等，当有模块损坏时，报警灯由绿色变成闪烁的红灯，并伴有“嘀嘀”报警声，提醒维护人员更换。
fs遥信触点模块附带遥信触点功能底座,可根据实际需要选用端子1-2（常开触点）或1-3（常闭触点）连接。而端子接线可使用0.14-2.5mm2多股线或单芯线。
第二级电源防雷器采用obo公司的v20-c/3npe电源防雷器。
并联安装在的机房分配电箱的主空开后，ups的输入端，主要作用是进一步将电源线引入雷电导致的过电压限制到对设备无害的水平。并且防雷器前需串联3pcs20a的后备空气开关。
根据用户的需求，v20-c也可以选择声光报警功能或遥信报警功能模块。
3.4.2dcs系统控制线路防雷
dcs系统控制线路的防雷主要采用2种措施，一是屏蔽，二是安装防雷器。所有的控制线路应采用屏蔽电缆；对于穿越不同防雷分区的控制线路应在两端安装obo测量控制系统防雷器。防雷器的选择应根据线路的工作电压、传输速率和接口形式选择相对应的防雷器。obo专用于控制系统的防雷器是fld和frd系列。
a．das（数据采集系统）
das（数据采集系统）包括各种类型热力参数、电气一次系统刀闸和开关的状态以及电压、电流、电量、有功功率、无功功率等和辅机阀门状态等数据的采集、测量和监视；完成所有参数的当前值、历史值和状态的显示、分析、管理和打印；参数报警的记录、提示、打印及处理；soe的记录、打印，并在发生soe时自动推出相关画面；报表的自动计算和自动打印。根据实际需要，我们选择重要的数据过程量进行防雷，防雷器选用德国obo的fld24工业控制防雷器。
b.ccs/mcs（协调控制系统/模拟量调节系统）
ccs/mcs包括协调控制系统，包括负荷管理中心、压力定值回路、机、炉指令形成回路等；燃料自动调节系统；送风自动调节系统；引风自动调节系统；磨煤机出口温度/入口压力自动调节系统；过热器减温自动调节系统；给水自动调节系统；除氧器/凝汽器水位自动调节系统；轴封压力自动调节系统；高/低压旁路温度自动调节系统；各种控制调节系统有很多重要参数直接关系到正常工作，因此我们需对这些重要的子系统进行防雷，防雷器选用德国obo的fld24工业控制防雷器。
c.fsss和bms（锅炉保护系统和燃烧指导系统）防雷
fsss具有大、小油枪的程控、对角启停；火焰检测；锅炉吹扫及允许点火条件；灭火保护及首次跳闸记忆等功能。bms具有一、二、三次风速测量；煤粉浓度测量计算；锅炉实时效率计算；燃烧操作指导等功能。上述各重要参数也直接关系到正常工作，我们也许进行防雷保护，防雷器选用德国obo的fld24工业控制防雷器。 d.scs（顺序控制系统）防雷
scs具有电动门、远方操作执行器的软手操及联锁、成组控制；电磁阀、电磁铁、气动球阀的软手操及联锁控制；重要辅机的联锁保护、联锁启停等功能；主要辅机的顺序控制启停功能。同样它也存在很多重要的4-20ma过程量，我们也必须对这些采集终端进行防雷保护，防雷器选用德国obo的fld24工业控制防雷器。
scs防雷见工程图spd-6
e.ecs（电气控制系统）防雷
ecs主要断路器的软手操功能，包括预合、合闸、预分、分闸、禁操等；高压厂用电动机和低压电动机的顺序控制启停；自动同期、同期闭锁、微机自动准同期开关、调速、自动并网、自动励磁、自动解列、自动灭磁等功能；厂用电源切换；模拟显示电气系统的各项参数与设备分合状态、电气潮流图；发电机定子、转子、母线绝缘检查；报警记录继电保护装置动作情况及各断路器动作顺序；通过与专用装置配合，完成自动准同期（aass）、自动电压调整装置（air）、厂用电源备自投（bzt）等功能;实现电力系统“五防”（防止误拉、误合断路器、带负荷拉合隔离开关、带电挂接地线/合接地刀闸、带接地线/接地刀闸送电、误入带电间隔），减少误操作概率;升压站网控控制，利用macs多域结构，整合继电保护等自动装置，实现发电机变压器组高、低压厂用电系统、厂用电动机、输电线路、母线保护等设备的控制、监视、保护功能一体化，同时又保证了各功能间的独立性和可靠性;继电保护管理功能根据事先输入的参数、由操作员输入相应的参数后系统自动生成电气系统阻抗图，显示当前继电保护装置安值、动作统计、准确率计算。ecs系统是dcs系统中比较重要的一个子系统，它有许多相当重要的数据参数，因此我们对它进行防雷保护，防雷器选用德国obo的fld24工业控制防雷器。
ecs防雷见工程图spd-7
f.deh（数字式电液调节系统）防雷
启动工况－远方挂闸、自动升速、自动同期、自动并网，并网后自动带初负荷、自动升至目标负荷、参与协调控制及agc；正常运行工况－转速控制、参与一次调频、功率控制、阀位控制、主汽压力控制；特殊运行工况－主汽压力低限制、真空低限制、负荷限制、runback快速减负荷控制、机跟炉压控方式、甩负荷快关调门超速限制；阀门管理－高压调节单阀控制、顺序阀控制以及相互切换，中压调节单阀控制；试验－超速试验、注油试验、高压遮断模块在线活动试验、阀门活动试验、阀门严密性试验；保护功能－三个测速模块三取二超速保护等；过程参数实时显示与控制参数在线设定；高级功能－汽轮机热应力计算、自动启停.
根据实际要求，我们将对一些重要的过程量进行防雷保护，防雷器选用德国obo的fld24工业控制防雷器。
3.5室内布线方式讨论
机房的室内布线，要注意以下几点
◇通信电缆以及地线的布放应尽量集中在建筑物的中部。
◇不论是何种金属线缆，已经过spd保护后的电缆与未经过保护的线缆不应平行布放，如受条件限制只能平行布放，则也要对已经过spd保护后的电缆采取屏蔽保护，并且屏蔽层至少要两端接地。
◇通信电缆以及地线的布放应尽量集中在建筑物的中部。
由于机房所处大楼是钢筋混凝土的建筑物，当安装有接闪器时，由于接闪器可能利用建筑物主筋柱作为引下线，除了上述几点外，还要注意2点：
◇通信电缆线槽以及地线线槽的布放应尽量避免紧靠建筑物立柱或横梁，避免沿建筑物立柱或横梁布线较长的距离。
◇通信电缆线槽以及地线线槽的设计应尽可能位于距离建筑物立柱或横梁较远的位置。
四、参考标准规范
建筑物防雷规范（gb50057-94）
计算机房防雷设计规范(gb50174-93)
计算站场安全要求(gb9361-88)
计算机信息系统防雷保安器（ga173-1998）
通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范（yd5098/t-2001）
雷电电磁脉冲的防护（iec1312）
过电压保护器（vde0675）
《电力系统通信管理规程》（dl/t544-94）
《电力系统通信站防雷运行管理规程》（dl/t548-94）
《电力系统载波通信运行管理规程》（dl/t546-94） 写得蛮详细，学习了，谢谢！
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