2004年夏天，上海地區雷電頻發，共有3個火電廠的熱工控制系統及外圍熱工控制系統遭受雷電入侵而受到不同程度的損壞，這是上海地區近十幾年來發電廠遭受雷害zui多、熱工控制系統損壞zui嚴重、影響zui大的一年。
　　
　　案例1：2004年7月6日、8日，某電廠4臺300MW機組遭受2次雷害，瞬間造成4臺機組全部退出AGC運行方式；其中3號機組A側引風機軸承溫度躍升十幾度（zui高達87℃并發出“軸承溫度高”報警）險些誤跳風機；雷害使化水樓周邊壓力和溫度變送器損壞10多臺，損壞化水程控模塊3塊、打印機、交換機等多臺。
　　
　　案例2：2004年8月4日，某電廠350MW機組遭強雷電截擊，雷后強大的雷電脈沖通過電源及信號電纜造成1號機組4塊DCS的I/O模塊損壞、2號機組2塊模塊損壞；外圍水處理系統7臺壓力、溫度變送器損壞；0號機組有20點軸承監測溫度出現異常升高而產生誤報警；另造成制氧1號高壓氮壓縮機電機軸承溫升至連鎖動作值而跳壓縮機。
　　
　　案例3：2004年8月22日，某自備電廠外圍化水設備遭受雷電侵害，造成1個化水液位計、5臺壓力變送器損壞，通過信號電纜傳導造成More熱工控制系統2塊I/O模塊損壞、部分程序丟失，還造成部分供熱用戶蒸汽流量表計損壞。
　　
　　分析發現，這3起雷害都是在寬廣的場地引發的，并通過信號或電源電纜等將感應雷過電壓或強雷電脈沖等導致熱工控制系統損壞。從對現場露天安裝熱控表計檢查發現，外殼接地不嚴格（以安裝支架作為接地）、接地線松動、接虛及接地線脫落等現象比較普遍。
　　
　　一、雷害及其入侵熱工控制系統的途徑
　　
　　夏季，常常會發生閃電打雷的自然現象。當大氣中云的不同部位、云與云之間或云與地面不同性質電荷差達到一定程度時，就會發生擊穿空氣的放電現象，就這是閃電。閃電通道上的空氣由于高溫而急速膨脹引起爆裂，發出的聲音就是雷聲。
　　
　　有了雷電就有可能產生雷擊，即發生一種雷雨云中釋放電能擊中物質而造成損失的災害現象。人們往往比較重視直接雷擊的危害，對感應雷害卻存在認識上的誤區。
　　
　　所謂感應雷害，是指雷電的靜電感應、電磁感應、過電壓波、電磁輻射等。隨著現代社會電子、通信、計算機控制技術的迅速發展，雷擊災害正從“直擊雷害”向“感應雷害”轉變，且頻率越來越高，危害越來越大。據德國一家重要的電子保險公司統計，由于電涌（主要是雷電放電）對電子設備和系統的電磁干擾而造成的損壞賠償費在十年內翻了兩番。僅1990年就因電涌造成的電子設備與系統的損失超過10億馬克。
　　
　　相對于熱工控制系統，雷雨產生浪涌（沖擊）電壓的主要途徑有以下3個方面：①直擊雷于外部線路注入大電流流過接地電阻或外部線路阻抗而產生的浪涌電壓；②雷擊產生的電磁場在熱工控制系統外部線纜上產生的感應電壓和感應電流，即所謂間接雷擊；③附近直接對地放電的雷電入地電流耦合到熱工控制系統接地系統的公共接地路徑上。
　　
　　從調查情況看，雷電波（高電位）大多通過那些敷設不規范的線纜（包括I/O信號電纜通信電纜和電源電纜等）進入并導致熱工控制系統發生異常、故障甚至損壞。
　　
　　1.1建筑物外的侵入
　　
　　（1）雷電遠點襲擊電力線。雷電首先擊在電力線上，通過電力線直接擊穿用電設備的電子元件，從而影響熱工控制系統的供電。
　　
　　（2）雷電近點電力線的入侵。實際上是雷電襲擊用電設備所在的建筑物避雷針，引起雷電電磁脈沖。
　　
　　除通過避雷引線、水管、金屬門窗等與地面有連接的金屬物質的雷電流外，剩下的部分將擊穿UPS輸出和輸入對地線端，從而影響熱工控制系統的供電和網絡設備。
　　
　　（3）錯相位雷擊。如果一個高能量雷打在一條火線上，而另一個低能量雷打在另一條火線上，線線之間會產生電壓差侵入用電設備。直接影響三相UPS、熱工控制系統及整個熱工控制系統的供電。
　　
　　1.2建筑物內感應雷擊
　　
　　雷電對熱工控制系統的危害主要是通過直擊雷和雷電電磁脈沖干擾兩2種形式。
　　
　　（1）雷電直接擊中建筑物或地面，雷電流沿引下線、接地體流動過程中產生強大的感應電磁場，通過感應耦合到熱工控制系統而損壞其電子元器件。另外，控制室建筑物的防直擊雷裝置在接閃時，強大的瞬間雷電流通過引下線流入接地裝置，會使局部地電位浮動并產生跨步電壓，若防雷接地裝置是獨立的，它和熱工控制系統的接地體沒有足夠的絕緣距離，它們之間會放電（稱為雷電反擊）而對熱工控制系統產生干擾或破壞。
　　
　　（2）雷電電磁脈沖干擾是指強大的雷閃電流產生的脈沖電磁場，它對熱工控制系統的干擾有；
　　
　　a）控制室建筑物的防直擊雷裝置接閃時，引下線會通過強大的瞬間雷電流，如在引下線一定距離內有連接熱工控制系統的電源及I/O電纜等，則引下線內的雷電流會對這些電纜產生電磁輻射，將雷電波流引入熱工控制系統損壞I/O模塊；
　　
　　b）控制室周圍發生雷擊放電時，會在各種金屬管道、電纜線路上產生感應電壓。如果這些管道和線路引入到控制室把過電壓傳導到熱工控制系統上，也會對熱工控制系統產生干擾或損壞。
　　
　　二、熱工控制系統及控制室防雷主要措施
　　
　　人們認為安裝了避雷針就能防避所有雷害，其實這是片面的。幾百年前發明的避雷針只能預防直擊雷，對感應雷害毫無作用。由于缺少科學常識和認識誤區，致使某些單位對電子、控制、計算機等設施尚無任何預防感應雷害的措施，致使這些企業的設施雷害頻發。
　　
　　試驗證實，0.24mT的電磁波沖擊就能造成電子設備的直接損壞，0.003mT的電磁波沖擊就能造成電子設備的誤動。因此，自20世紀90年代起，IEC先后頒布了一系列防雷標準。我國頒布了GB50057-1994《建筑物防雷設計規范》的國家標準，該標準第6章專門規定了“防雷擊電磁脈沖”的要求，表明防雷技術已引起國內各行業的重視。
　　
　　2.1控制室及外圍的防雷
　　
　　雷電對熱工控制系統破壞的原因在于其巨大的、遠遠超出控制設備所能承受的浪涌電流、電壓。阻止和減少浪涌電流侵入熱工控制系統是預防雷電危害的關鍵。由于熱工控制系統通常放置在建筑物下，已在建筑物防雷系統的保護下，所受的危害不是直擊雷，而是由于雷的電磁效應所產生的浪涌電流（亦稱感應雷）。感應雷的產生可以分為：
　　
　　1）電阻耦合：雷擊導致附近的地電勢急劇升高，若該地區控制、電氣設備與遠離雷擊點的建筑內的設備有電纜連接，因電纜的電阻小于土地的電阻，浪涌電流就會在電纜中產生，從而危害兩端的控制設備。
　　
　　2）電感耦合：雷擊使建筑物外部防雷設備的導體上產生巨大的瞬間電磁場，使建筑物內的電纜感應生成有害電壓產生浪涌電流。
　　
　　3）電容耦合：空中的高電壓供電線很容易遇到雷擊，雖然其本身的高壓浪涌保護裝置泄放了大量的能量，仍有相當多的能量由于其自身的高頻特性以電容耦合的方式通過變壓器進入建筑物的供電系統，危害電子設備。
　　
　　IEC-61312《雷電電磁脈沖的防護》對雷電保護區的劃分提出了圖1所示的原則性建議。
　　
　　一個欲保護的區域，從EMC（電磁兼容）的觀點來看，由外到內可分為幾級保護區，zui外層是0級，危險性zui高；我國大多數情況下的機房，就與0區僅一墻之隔，即只有一層屏蔽，則該機房內空間定為1區；各電子設備的外殼為一層屏蔽層，可視機殼內的空間為2區等。越往內部，危險程度越低，過壓主要是沿線穿過的，保護區的界面通過外部防雷系統、鋼筋混凝土及金屬管道等構成的屏蔽層面形成。穿過各級雷電保護區的金屬構件，一般應在保護區的分界面做等電位聯接。　　
　　
　　GB50057-1994按防雷要求分為一、二、三類防雷建筑物。一類要求zui高；二類次之。熱控控制室如果和生產設備在同一建筑物內，其防直擊雷設施應根據生產設備的特點綜合確定和設計。如果熱控控制室是獨立的建筑物，應按該標準規定的三類防雷建筑物的標準設防。
　　
　　將控制室的墻和層面內鋼筋、金屬門窗等進行等電位聯接，并與防直擊雷的接地裝置相聯，使控制室形成一個法拉第籠，可減少雷電磁脈沖的影響。控制室有許多電纜和外部相聯，因此要對從室外進入控制室的各種電纜采取屏蔽措施，對容易被雷電波侵入的地方更應重視，只有堵死一切雷電導入的端口，才能有效保護熱工控制系統設備免受雷電的侵害。
　　
　　2.2熱工控制系統的防雷
　　
　　現代防雷技術的理論基礎在于；閃電是電流源，防雷的基本途徑就是要提供一條雷電流（包括雷電電磁脈沖輻射）對地泄放的合理的阻抗路徑，而不能讓其隨機地選擇放電通道，簡而言之就是要控制雷電能量的泄放與轉換。現代防雷保護的三道防線為：①外部保護：將絕大部分雷電流直接引入大地泄散；②內部保護：阻塞沿電源線或數據線、信號線侵入的雷電波危害設備；③過電壓保護：限制被保護設備上的雷電過電壓幅值。
　　
　　然而，在熱工控制系統應用中zui不清楚但又必須解決的問題也許就是接地問題。不僅很多用戶不清楚，甚至有的熱工控制系統廠家也未必很清楚。各熱工控制系統廠家為保證系統能在各種復雜的應用現場正常運行，提出的接地要求也各不相同，不但概念比較籠統、模糊，且對接地的具體技術要求也存在較大差異，有的很苛刻，有的則相對較寬松。如有的DCS對內部交流地、邏輯地、系統地是不區分的，當電源的3根線（相線、零線、地線）接到機柜的配電盒時，即完成了系統接地。而有的DCS則采用1個接地點且與電氣網共地方式。還有的DCS的安全地采用就地接大地或接入匯集板（總接地板），而系統地（直流工作地）則采用匯集板接地方式。但不管有何差異，用戶應注意如下2點：
　　
　　（1）保護接地：熱工控制系統均有一個保護地，該保護地一般在機柜和其它設備設計加工時已在內部接好，有的系統已將該保護地在內部同電源進線的保護地（三芯插頭的中間頭）連在一起，有的不允許將保護地同該線相連，用戶一定要仔細閱讀廠家提供的接地安裝說明書。不管哪種方式，保護接地必須將一臺設備上所有的外設或系統的保護接地連在一起，然后用較粗的絕緣銅導線將各站的保護接地連在一起，再從一點上與大地接地系統相連。
　　
　　（2）屏蔽地（模擬地）：是所有接地中要求zui高的一種。幾乎所有的熱工控制系統都提出屏蔽地一點接地，且接地電阻小于1Ω。在熱工控制系統機柜內部都安置了屏蔽地匯流排，用戶在接線時將屏蔽線分別接到屏蔽地匯流排上，在機柜底部，用紙緣的銅辮連到一點，然后將各機柜的匯流點再用絕緣的銅辮或銅條以輻射狀連到接地點上。大多數的熱工控制系統不僅要求各機柜屏蔽地對地電阻小于1Ω，且各機柜間的電阻也要小于1Ω。
　　
　　HG/T20513-2000（儀表系統接地設計規定）對屏蔽電纜的接地原則上要求一端接地，另一端懸空。但單端接地只能防靜電感應，不能防磁場強度變化所感應的電壓，阻礙雷電波的侵入。為減少屏蔽芯線的感應電壓，僅在屏蔽層一端做等電位聯接的情況下，應采用有絕緣隔開的雙層屏蔽，外層屏蔽（如用金屬走線槽或穿線金屬管作為第二屏蔽層）應至少在兩端做等電位聯接。從防雷角度看，走線槽及穿線金屬管應選擇金屬材質而不應選用環氧樹脂等絕緣材料。
　　
　　要將熱工控制系統的接地系統和防雷電系統的接地系統進行等地位聯接，即使受到雷電反擊，由于它們之間不存在電位差，所以不可能通過雷電反擊構成對電子元件的威脅。空中飛行的飛機是一個很好的例子。空中的云層是雷電的發源地，飛機穿行其中，飛機中的人員安全、各種設備工作正常，這是因為其整體的金屬外殼使它成為一個等電位體，雷電產生的浪涌電流不能進入飛機內部。因此等電位聯接是熱工控制系統免遭雷擊的重要措施。
　　
　　關于等電位聯接的概念，我國zui早于1958年底建造人民大會堂時基于防雷要求提出的，這比國外早18年（英國的R.H.Golde1977年才在名著《雷電》一書中談到）。由于等電位聯接減小了系統內各金屬部件和各系統間的電位差，無論是從防雷的角度或是從減小熱工控制系統的共模干擾來看，這都是十分有益的。
　　
　　熱工控制系統（如DCS）一般采用圖2的S型星形結構的等電位聯接，和共用接地系統實行單點接地，即1個接地基準點（ERP）。
　　
　　實踐證明，即使采用等電位聯接，但在接地網中的引入點和防雷地、大電流高電壓設備的接地點距離不應小于5m，否則控制信號中常常會出現不明波形而影響系統的正常工作。　　
　　對等電位聯接后接地電阻值的大小問題，國內防雷專家存在兩種不同的觀點：一種觀點認為“只要實施了良好的等電位聯接，接地電阻可以放寬，甚至可以對接地電阻的阻值不再作要求。”在IEC標準以及現行的TC81防雷標準中，確實是很難找到對接地電阻值的要求；另一種觀點則認為雷擊事故與接地電阻值有關，因此要求接地電阻值盡可能小。這兩種觀點到底孰是孰非尚無定論，但從“引雷入地”的觀點出發，較小的接地電阻值顯然有利于加速雷電能量的對地釋放。再則，對熱工控制系統而言，接地也不僅僅是為了防雷。因此不少行業標準對熱工控制系統的接地電阻要求也不同，如電力部門對熱工控制系統接地電阻的要求：采用獨立接地時接地電阻小于4Ω；采用與電氣網共地時接地電阻應小于1Ω；采用防雷地、電氣地、熱工控制系統地三者共地時應小于0.5Ω。實測結果說明火電廠電氣接地網的接地電阻可達到小于0.1Ω。
　　
　　2.3防雷接地及其接地布線
　　
　　在防雷系統的設計和建設中，一定要求有一個良好的接地系統，因為所有防雷設施都需要通過接地系統把雷電流泄入大地，從而保護設備和人身安全。如果接地系統做得不好，不但會引起設備故障、燒壞元器件，嚴重時還將危及工作人員的生命安全。而電子設備為抗干擾采用的屏蔽技術、防靜電技術和濾波技術等都要求建立一個良好的接地系統。
　　
　　現摸擬一個建筑接地布線來分析其受到雷擊時的情況。如有A、B兩臺互相傳輸數據的電子設備，假設電源線上輸進5kA雷電電流波，按圖3所示的等效電路，設備是否會被損壞?
　　
　　假設：電源避雷器P性能優良，其響應時間和導通后的殘壓不會損壞A設備，雷電流Ip＝5kA全部流經避雷器P進入接地點G1入地；接地電阻R1＝1Ω、R2＝1Ω、R3＝1Ω，且互為獨立接地。　　
　　雷電流Ip流過接地電阻R1時，接地點G1的地電位將抬升為U（G1）＝IPR1＝5kV。U（G1）此時會加到電源的輸入端a1，而A設備的接地點G2為零電位，則電源輸入端與入地點G2之間的電位差V（a1G2）＝5kV。
　　
　　電子設備開關電源能耐受的zui高電壓為800～1500V，若5kV的電壓波加到a1—G2兩端，則A設備的電源端將被過電壓損壞。為避免此情況的發生，應將接地點G1與G2相連接（如圖所示）。
　　
　　G2電位變為5kV，此時，信號傳輸線另一端的設備B的接地點G3為零電位，而信號接口a2與接地點G2之間的電位差V（G2a2）變成了5kV，從而使信號接口a2損壞。要保護信號接口a2，就在a2和接地點G2之間安裝殘壓小的信號避雷器PA，且接地點必須與G2相連。
　　
　　雖A設備的信號接口a2并未損壞，但5kV電壓已加到a2與G3端，信號接口b2會損壞嗎?理論計算與實驗結果表明：a2至b2的信號傳輸線若線徑小于等于1mm，長度大于100mm，則線阻加上導線的分布電感所形成的電抗分壓，使得加到b2與G3的電壓V（b2G3）小于100V，但如傳輸線小于100m，則有可能使V（b2G3）大于100V使B設備受到雷擊損壞。
　　
　　從上述分析可見，除合理做好接地布線外，確保接地系統的完好、健康也是有效防雷的重要手段。為確保系統正常工作，要認真做好接地系統的定期維護保養，特別是在雷雨季節到來之前應做好：（1）檢查全廠接地網的完好程度，采用精密地阻儀檢測接地電阻大小；（2）對投產多年的電廠，要認真做好接地網壽命周期、接地體腐蝕狀況評估；（3）認真檢查露天安裝熱工控制系統（變送器、液位計等）殼體、屏蔽電纜、走線糟等接地狀況，嚴防接地線纜松動、虛接、脫落、接地電阻過大等異常情況的發生；（4）為提高接地裝置使用效率，應考慮使用長效降阻劑。
　　
　　2.4防雷浪涌保護器
　　
　　浪涌保護器（SPD）是一種限制瞬態過電壓和分走浪涌電流的器件，可分為強電和弱電SPD，這里僅就熱工控制系統用弱電SPD進行介紹。在正常情況下，SPD不對電路產生影響；當浪涌電流侵入時，SPD將所有連接部分與地線短路，使線路中的浪涌電流迅速釋放入地，從而使線路所連接的設備不受浪涌的侵害；浪涌終止后，使SPD恢復正常。
　　
　　SPD由氣體放電管、電感和浪涌二極管混合構成三大類。
　　
　　氣體放電管：具有在低電壓觸發導通，通過電流大，使用壽命長的特點，但瞬變量大時觸發電壓遠大于額定觸發電壓，造成殘壓高。另外，在氣體放電管被觸發的情況下，尤其是在阻抗低、電壓超過24V的電路中會出現下列情況，即原來希望維持幾個毫秒的短路狀態，會因為電路供電電流較大，使該氣體防電器繼續保持下去而導致放電管破碎。
　　
　　浪涌二極管：即為導通大電流的齊納二極管，具有反應速度快、限制電壓準確的優點，但有明顯電容效應，會影響回路帶寬。
　　
　　電感：用來分隔氣體放電管和浪涌二極管，在氣體放電管未觸發，二極管已導通時，電感可限制峰值電流。
　　
　　當有連結電纜從室外或其它系統進入控制室時，裝設SPD可以保護熱工控制系統免遭雷電浪涌的閃擊而損害。
　　
　　在選用SPD時，一定按實用性、發生雷害事故的可能性和后果，合理配置防雷器，以免造成不必要的浪費；二要注意其工作電壓、負載電流與系統回路匹配問題，其zui大連續操作電壓應略大于回路zui大正常工作電壓，負載電流應大于回路zui大正常工作電流。SPD可選擇串聯和并聯安裝形式，SPD應放在與被保護設備（表計）相同的防護、防爆等級的保護箱內。
　　
　　在SPD與熱工控制系統的連接安裝時，應注意：
　　
　　1）現場儀表至控制室連接電纜宜采用雙絞屏蔽電纜，置于金屬保護管或封閉電纜槽中，盡量避免電纜裸露與保護管之外，保護管及電纜槽應與就近保護接地網有效連接，以zui大限度地減少雷擊和其它大電場對電纜部分產生影響。
　　
　　2）現場儀表的金屬外殼應就近與所在的建筑物的金屬構架相連接，形成等電位體。
　　
　　3）SPD安裝位置應盡可能靠近被保護設備，在控制室內，SPD柜放在外側，被保護的機柜放于中心側。
　　
　　各種防雷器性能再好，如果沒有很好的接地裝置也難奏效，因此以千安計算的強大雷電流要在地電阻上形成很高的電壓，接地電阻越大，該電壓就越高。因此，盡量減小接地電阻是有效防雷的基礎。
　　
　　三、結語
　　
　　由于雷電的多樣性和不確定性，而所保護的熱工控制系統又涉及到的工藝流程、管線和電氣系統范圍大、種類雜，所以，不能將熱工控制系統的防雷工作看成是各類避雷設施的簡單堆砌。實踐證明，熱工控制系統的防雷工作是一項要求高、難度大的系統工程，既要貫徹經濟、實用、高標準、嚴要求、高起點、高可靠性原則，又要不斷摸索和完善熱工控制系統防雷的方法、理論，以使熱工控制有得到更為全面、可靠、合理的保護。
　　
　　[參考文獻]
　　
　　［1］IEC/TC-81，1024-1防雷技術指南［S］
　　
　　［2］IEC-61312防雷擊電磁脈沖［S］
　　
　　［3］GB50057-1994建筑物防雷設計規范（2000年版）［S］
　　
　　［4］IEC1312-1：1995雷電電磁脈沖的防護通則［S］
　　
　　［5］齊徠之，DCS接地及防雷接地［J］。自動化博覽，1998（3）：8-11。
　　
　　［6］HG/T20513-2000儀表系統接地設計規定［S］。
　　
　　［7］GB7450-1989電子設備雷擊保護導則［S］。
　　
　　［8］王常余接地技術200問［M］上海上海科學技術出版社2001.10
　　
　　［9］周志敏等電子信息系統防雷接地技術［M］北京人民郵電出版社2004.7
　　
　　［10］張小青建筑物內電子設備的防雷保護［M］北京電子工業出版社2000
　　
　　［11］陳家斌接地技術與接地裝置中國電力出版社2003.2
　　
　　［12］［德］PeterHasse著博正財等譯低壓系統防雷保護中國電力出版社2005.
　　
　　［13］［日］川瀨太郎高橋建彥著接地技術科學出版社2003.9