关于烟气在线设备(CEMS)防雷的分析

刘 兴 玺

(国投大同能源有限公司电厂，山西 大同 037001)

关于烟气在线设备(CEMS)防雷的分析

刘 兴 玺

(国投大同能源有限公司电厂，山西 大同 037001)

结合具体实例，论述了某电厂烟气在线监测CEMS系统的设计缺陷，并通过专业人员分析技改后提高了设备的可靠性，保证了环保设施的投运率，在目前环保要求日益严重的形势下有助于企业提高设备管理水平。

CEMS，防雷，监测，系统改造

1 概述

某电厂投产1年后烟气在线监测CEMS系统接连发生两次雷击事故。事故经过简单回顾如下：

1)事故经过：2011年6月14日晚上发生雷雨天气，雷声大作，晚上0:32分2号机组六大风机跳闸，后锅炉降负荷，直到0:57分机组恢复正常运行，后检查发现锅炉DCS画面部分温度、压力测点、烟气在线监测系统的测点显示异常，全部坏点。

2)2012年6月19日下午14:03发生雷雨天气，雷电在天空中烟囱附件弧线比较长，1号机组高压流化风机状态信号消失，后检查发现DCS卡件过电流损坏，检查其他设备无故障。同时发现2号机组烟气在线画面有2个点损坏，其他3个烟气压力点损坏。

2 过程分析

由于设备可能与雷击有关，所以我们先从雷击侵入可能途径入手分析：

1)雷电侵入仪表系统的途径。雷电对仪表控制系统的危害主要是通过直击雷和雷电电磁脉冲干扰两种形式。主要是通过以下的几种耦合途径给PLC系统带来危害的：

a.直击雷造成的地电位浮动而导致的雷电反击。控制系统建筑物的防直击雷装置在接闪时，强大的瞬间雷电流通过引下线流入接地装置，会使局部的地电位浮动并产生跨步电压，如果防雷的接地装置是独立的，它和控制系统的接地体没有足够的绝缘距离的话，则它们之间会产生放电，这种现象称为雷电反击，它会对控制室内的PLC控制系统产生干扰乃至破坏；

b.当控制系统建筑物的防直击雷装置接闪时，在引下线内会通过强大的瞬间雷电流，如果在引下线周围的一定距离内设有连接PLC系统的电缆(包括电源、通信以及I/O电缆)，则引下线内的雷电流会对PLC的电缆产生电磁辐射，将雷电波(高电位)引入PLC系统，干扰或损坏PLC系统；

c.当控制系统周围发生雷击放电时，空间辐射的电磁场会在各种金属管道、电缆线路上产生感应电压(包括电磁感应和静电感应)，从而使PLC系统失效或损坏。

2)原因分析。由于电厂的烟囱有180 m高，属于高大建筑防雷接地是单独设计，有单独的接地网，全部是80的镀锌扁钢环形焊接而成。可以保护到周边100 m的半径范围内。平时如果一般的雷(指持续时间短1 s以内)即使顺着下引线冲击下来后，马上会被接地网吸收掉，但是如果雷击持续时间长(超出2 s),就烟囱本身地网而言变得吸收较平时慢一些，但是残余雷击波高电压会对在范围内的弱电设备(比如地位上附的控制系统设备)通过耦合放电。所以说上述三种方式综合形成的原因就是对内部附有控制系统放电，而一旦控制系统接地系统存在接地不良或没有泄压通道，那么就会在控制系统最薄弱的地方形成泄压通道，由于时间短电压大所以破坏力强。而且由于目前控制系统一般的接地主要有两种措施：浮空、单点接地，本系统如果采用浮地的话，会出现由于仪表的外壳要进行保护接地，当雷电较强时，仪表外壳与其内部电子电路之间可能出现很高的电压，将两者之间绝缘间隙击穿，造成电子线路损坏，故这种方式不能采用。而采用单点接地时的突出优点是可以就近接地，接地线的感应电感小。但是如果较强的雷电波通过保护地进入系统，电子电路同样会因承受高压而损坏。综合两种方式优缺点本系统应该采用首先将控制系统内设备的接地线全部汇总回到“一点”，为了防止感应电压从此点进入系统，将汇总后的单点引到烟囱保护范围边缘地带，实现降压、消压的目的。

3)现场处理经过。第一次事故后专业人员对就地CEMS系统机柜检查，PLC系统采用为西门子S-300系统，接地系统为机柜与CEMS小间就地地网相连，小间接地线与烟囱主地网相连，对外信号输出方式为 PLC控制系统的DO卡件加上隔离器输出送到远方集控室的DCS控制系统，DCS控制系统通过CEMS系统送来的SO2/NOx调节锅炉侧石灰石给料阀的转速。该厂当年接地网已委托有资质的当地防雷测试所测试没有发现问题。第一次故障后检查发现机柜里从就地传感器回来的信号线的屏蔽地线有部分未与机柜外壳连通，遂怀疑可能是由于对地的瞬间感应残余高压通过电磁场耦合导致未接地的屏蔽线感应出高压，此高压通过DO卡件通道释放导致卡件击穿。由于时间比较紧随后把此部分地线全部与机柜内部铜排接地连好，机柜地线与室内接地网也可靠连接后恢复系统，后经过两次雷雨天气系统未发生故障。第二次事故后事后专业技术人员组织仔细分析系统，对测量系统进行检查后发现全部是锅炉烟风系统的测点损坏，后发现跟这个系统使用同一卡件的烟气在线系统的测点也全部损坏，由于烟气在线测点全部安装在烟囱附近，而烟囱是全厂的最高点，初步判断是从烟囱带过来的感应电导致卡件损坏进而损坏其他测点。后据当时运行人员描述，当时雷电放电时间比较长，整个烟囱白茫茫的一片，而且引风机房顶部的滑触线有检修人员看到有放电冒火现象。种种描述都说明当时放电时间是比较长的，由于瞬间的高电压对整个烟囱接地网的冲击，接地网的感应电压瞬间升高，而正好烟囱的接地大网在引风机房这一点可能有不良现象，造成离烟囱比较近的烟气在线监测控制室控制机柜内部地网的感应电压也瞬间升高。由于CEMS系统的PLC柜厂家已经考虑了柜内系统内部元件的防雷设计，也就是说从烟囱本体的测量仪表回柜内PLC传输部分厂家全部配制了防雷抗浪涌功能，但是往DCS传输部分没有考虑，从而造成柜内跟DCS相连的系统传输部分发生损坏，见图1。

通过咨询CEMS厂家设计人员了解到设计意图也是由于所有电厂一般CEMS系统设备都处在烟囱下属于雷击隐患多发区域，所以对内部设备加装了隔离器、电源防浪涌保护器，对内部一次、二次设备全部隔离保护。导致每次故障发生后出现CEMS系统内部故障最少甚而没有故障。而薄弱的地方都是DCS侧的设备，包括DCS同一机柜内的需要供电的输出仪表(变送器、执行器等)。由于现场仪表(变送器、执行器等)是采用金属的仪表外壳通过仪表箱接地实现防雷屏蔽，仪表箱要与其他现场的金属设施实现等电位联结，并接入防雷接地系统。此接地的缺点是不能抑制仪表的信号传输内部的感应电压，特别容易导致仪表内部过电压损坏。如果能在DCS控制系统输出侧加装隔离器或防雷器，就可以起到保护作用。通过调研本公司采用北京平和公司的PH1033型号的一进一出的4 mA～20 mA类型的隔离器加装在DCS控制系统的输入、输出通道上。同时选用该公司的PH-A型防雷器(In(8/20 μs)=5 kVA;Imax(8/20 μs)=10 kVA;Up≤90 V)，冲击电流可以达到10 kVA,能满足系统安全使用。从PLC系统到DCS直接增加防雷击抗浪涌功能，保证系统内部的防雷击能力，由于DCS卡件瞬间抗雷击电压只能到500 V,但是不能持续，所以为系统配制防雷器+隔离器增加系统的防雷功能。系统连接见图2。

4)实施过程细节。首先从根本上解决接地网的问题，由于整个烟囱接地网比较庞大，如果开挖找出某一点接地不良好比大海捞针一样困难，耗费人力时间而且造价较高不易实现，所以把CEMS系统机柜全部重新接地线，从附近接地系统比较好的除尘器钢梁上引接，并重新敷设6 mm2的专用地线保证接地的良好。由于除尘器钢梁至少有10处与接地体焊接而且距离烟囱已经有至少30 m就是有残余高电压引到此处已经消耗殆尽。施工中要求模拟量信号先进入防雷器(PH-A)，再进入隔离器，为了施工方便默认为1+，2-，GND1为防雷线端子要求选用2.5 mm2的导线，GND2为防雷器外壳地端子要求选用0.75 mm2的导线，所有的GND1汇总后接到柜内的接地铜牌上，所有的GND2汇总后接到柜内的外壳接地线上，GND1和GND2汇总后通过6 mm2的专用地线与除尘器钢梁连接。系统改造后要经常在检修期间检查线路连接是否松动，这些细节如果平时不检查很容易形成隐患后期造成设备损坏。

3 结语

系统改造后经过两年时间运行现场无数次的雷电天气检验证实方案可行，提高了设备的利用率而且方案费用低。为了防止或减少因雷击导致现场仪表及PLC系统的故障和损坏，确保PLC及机组的可靠稳定运行，在遵守有关国家及行业标准的基础上，要对整个仪控系统根据等电位联结的原则加以设计，从主控室、PLC的I/O模件、现场仪表等多方面综合考虑，采用隔离、防雷、屏蔽等多种措施，同时在设计阶段需要电气、热控等专业协同合作来实现。除了考虑系统安全性以外，还要考虑投资成本的经济性，做到安全可靠、技术先进、经济合理。

[1] GB 50343-2004,建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].

[2] DL/T 5190.5-2004,电力建设施工及验收技术规范 第5部分：热工自动化[S].

[3] GB 50093-2002,自动化仪表工程施工及验收规范[S].

[4] HG/T 20513-2000,仪表系统接地设计规定[S].

On analysis of Continuous Emission Monitoring System’s lightening protection

LIU Xing-xi

(PowerPlant,SDICDatongEnergyCo.,Ltd,Datong037001,China)

Combining with factual examples, the paper indicates the design defects in the Continuous Emission Monitoring System at some power plant, indicates the reliability of equipment can be enhanced and the operating rate of the environment-friendly facilities can be ensured according to the technical reform by professional staff, so as to be helpful for improving the equipment management under the increasingly higher environmental protection demands.

CEMS, lightening protection, inspection, systematic reconstruction

1009-6825(2014)35-0156-02

2014-09-22

刘兴玺(1979- )，男，工程师

TM862

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