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淺談管道SCADA監(jiān)控系統(tǒng)的雷擊防護(hù)

文檔作者：蘇彩虹傅強(qiáng) 陸英娣文檔來源： 1．中石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司管道技術(shù)作業(yè)分公司 2．中國(guó)石油天然氣管道第二工程公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年11月01日
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旦 境羞臼
doi：10．3969／j．issn．1671—1041．201 1．03．033
淺談管道SCADA監(jiān)控系統(tǒng) 的雷 擊防護(hù)
儀器儀表用戶
蘇彩虹 ，傅強(qiáng)。，陸英娣
(1．中石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司管道技術(shù)作業(yè)分公司，徐州221008；2．中國(guó)石油天然氣管道第二工程公司，徐州1 221008)
摘要：通過對(duì)某原油管道SCADA監(jiān)控系統(tǒng)雷擊事故的原因及危害分析，針對(duì)本案采取增加浪涌保護(hù)器和改善接地系統(tǒng)連
接網(wǎng)的防護(hù)措施，增強(qiáng)管道SCADA監(jiān)控系統(tǒng)的雷擊防護(hù)。
關(guān)鍵詞：SCADA監(jiān)控系統(tǒng)；防雷接地；浪涌保護(hù)器
中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B
O 引言
SCADA監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，能對(duì)遠(yuǎn)
程站場(chǎng)的輸油泵、閥功能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程控制，并通過遠(yuǎn)程
PLC控制系統(tǒng)收集輸油站場(chǎng)的各類數(shù)據(jù)，在很大程度上還要
整合其它各輔助系統(tǒng)的運(yùn)行信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)
提供給操作人員和管理者。他由通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)工作站、
PLC控制系統(tǒng)等設(shè)備組成，而這些都屬于電子設(shè)備，他們的工
作電壓較低，耐過電壓、過電流能力也很低，極易受到雷擊電
磁脈沖的危害。例如：近年來，管道儲(chǔ)運(yùn)公司的儀長(zhǎng)線、魏荊
線、El儀線等都先后發(fā)生了雷擊侵襲，對(duì)正常輸油生產(chǎn)造成了
嚴(yán)重危害，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，做好原油管道SCA—
DA監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的雷擊防護(hù)工作，對(duì)提高原油管道生產(chǎn)安全
運(yùn)行有著非常重要的作用。
1 雷擊實(shí)例及事故分析
1．1 雷擊實(shí)例簡(jiǎn)介
2007年管道儲(chǔ)運(yùn)公司襄樊輸油處13號(hào)站點(diǎn)受到雷擊，對(duì)
事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了勘查，發(fā)現(xiàn)SCADA監(jiān)控系統(tǒng)室內(nèi)UPS被雷擊
損壞，2個(gè)PLC處理器被雷擊損壞，集線器被雷擊損壞，控制
模塊有部分損壞；配電室內(nèi)的全自動(dòng)變頻供水器電源部分被
雷擊損壞，電加熱棒油泵控制箱電源部分被雷擊損壞。造成
了SCADA監(jiān)控系統(tǒng)整體癱瘓，使得工作人員不能及時(shí)有效的查
看數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理，嚴(yán)重影響了該條原油管道的正常輸油生產(chǎn)。
1．2 雷擊事故原因分析
1)電源防雷器保護(hù)不到位
在UPS后端安裝(如圖1所示)防雷器，致使雷電流侵入
電源線路時(shí)，UPS得不到防雷器的保護(hù)，因而被雷擊損壞。配
電室內(nèi)的全自動(dòng)變頻供水器和電加熱棒油泵控制箱由于沒有
安裝電源防雷設(shè)備，雷電流通過電源線侵入到設(shè)備，致使設(shè)備
損壞。
圖1 電源防雷器的安裝
2)控制回路沒有采取防雷措施
SCADA監(jiān)控系統(tǒng)PLC控制回路(如圖2所示)沒有采取
90 ElC Vol。18 2011 No．3
防雷措施，很容易受電磁脈沖輻射。雷電流在其通道周圍的
空間產(chǎn)生電磁場(chǎng)，向外輻射電磁波 ，耦合到SCADA監(jiān)控系
統(tǒng)控制室的計(jì)算機(jī)、儀表和現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表，以及各類金屬導(dǎo)體
上，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感生電流，造成設(shè)備故障，損壞以致控
制系統(tǒng)失靈。
． 圖2 PLC控制回路
3)接地沒有形成等電位
該站點(diǎn)有3個(gè)地網(wǎng)，雖然每個(gè)地網(wǎng)的接地電阻都小于
ln，但是地網(wǎng)之間距離相隔不到5m，而且沒有將其多個(gè)捆綁
集中起來形成等電勢(shì)地網(wǎng)。這種情況很容易造成反擊現(xiàn)象，
雷電流有可能從地電位引入，侵入一些用電設(shè)備。
2 防雷措施的實(shí)施
防雷系統(tǒng)是一個(gè)綜合系統(tǒng)，其基本的防護(hù)原則有分流和
接地、屏蔽、合理布線、過電壓保護(hù)等(如圖3所示)。
圖3 防雷系統(tǒng)
通過此事故原因分析，具體實(shí)施措施：采用了增加浪涌保
護(hù)器和改善接地的方法，來增強(qiáng)原油輸油站場(chǎng)SCADA監(jiān)控系
統(tǒng)設(shè)備對(duì)雷擊的防護(hù)。
2．1 增加浪涌保護(hù)器
1)電源防雷器保護(hù)
根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》 j和《雷電電磁脈沖的防
護(hù)》第三部分電涌保護(hù)器 的要求表明對(duì)于電源系統(tǒng)的防雷
問題，一般原則上要求采用三級(jí)保護(hù)(如圖4所示)。在總配
電柜的三相電源輸出處安裝不小于60kA通流容量的電源防
雷器，作為第一級(jí)電源保護(hù)；在UPS前端安裝電源防雷器，作
為第二級(jí)電源保護(hù)；在UPS后端一些重要用電設(shè)備的前端安
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墨 旦
裝電源防雷器，作為第三級(jí)電源保護(hù)。
雷擊放電器過電壓放電器儀器終端保護(hù)
一
圖4 電源防雷器分級(jí)保護(hù)系統(tǒng)
a)電源一級(jí)防護(hù)
通常將配電系統(tǒng)第一級(jí)防雷保護(hù)設(shè)計(jì)為：使用10／350tzs
波形、通流容量40kA每線，8／201zs波形、通流容量lO0kA每
線的B級(jí)電源電涌保護(hù)器將感應(yīng)雷擊過電壓限制到4000V以
下 。所有接線用25mm 多股銅線連接，地線用25ram 多股
銅線連接。
b)電源二級(jí)防護(hù)
對(duì)于低壓配電室等屬于需要重要保護(hù)的區(qū)域，浪涌保護(hù)
器應(yīng)選擇通流容量為40kA 。安裝于配電箱內(nèi)。為防止浪
涌保護(hù)器遭受雷擊后損壞后，電源對(duì)地短路，需要在浪涌保護(hù)
器前安裝空氣開關(guān)及保險(xiǎn)端子作為短路保護(hù)裝置。
c)電源三級(jí)防護(hù)
依據(jù)配電線路設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，考慮到各種電子設(shè)備的
重要性，將配電系統(tǒng)第三級(jí)防雷保護(hù)設(shè)計(jì)為：使用8／201zs波
形、通流容量20kA每線的電源電涌保護(hù)器將感應(yīng)雷擊過電壓
限制到1500V以下 J。選用V10一C／1+NPE、VF230一AC電源
防雷模塊。
2)控制回路防雷器保護(hù)
在SCADA監(jiān)控系統(tǒng)控制柜中對(duì)每一個(gè)控制回路增加浪
涌保護(hù)器(SPD)(如圖5所示)可以限制回路中瞬態(tài)過電壓和
分走雷擊產(chǎn)生的浪涌電流。它拼接在被保護(hù)設(shè)備的前端，在
無浪涌出現(xiàn)時(shí)為高阻抗(即開路狀態(tài))，當(dāng)出現(xiàn)浪涌時(shí)就在最
短的時(shí)間內(nèi)(納秒級(jí))內(nèi)迅速將雷電流泄放到地使浪涌保護(hù)
器(SPD)變?yōu)榈妥杩?，從而保護(hù)了被保護(hù)設(shè)備。
控制室
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圖5 PLC控制回路防雷系統(tǒng)
2．2 改善接地系統(tǒng)的連接網(wǎng)
接地是防雷技術(shù)最重要的環(huán)節(jié)，不管是直擊雷，感應(yīng)雷或
其它形式的雷，都將通過接地裝置導(dǎo)人大地。因此，沒有合理
而良好的接地裝置，就不能有效地防雷
每個(gè)輸油站場(chǎng)SCADA監(jiān)控系統(tǒng)所在的一座建筑物內(nèi)有
許多不同性質(zhì)的設(shè)備，需要多個(gè)接地裝置，如避雷接地、保護(hù)
接地、工作接地、防靜電接地等。
各SCADA監(jiān)控系統(tǒng)的儀表柜、通信設(shè)備和交流電源設(shè)備
的接地是為了獲得一個(gè)零電位點(diǎn)。如果各設(shè)備分別接地，當(dāng)
發(fā)生雷擊的時(shí)候各設(shè)備的接地點(diǎn)的電位可能相差很大，而電
位差往往是造成敏感電子設(shè)備損壞的原因之一。其次，在站
場(chǎng)內(nèi)要分別做幾個(gè)相互沒有連接的地網(wǎng)是很困難的，因?yàn)橐?
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日 蟹羞日
求單個(gè)地網(wǎng)之間最小要有5m乃至20m的距離? ，同時(shí)又要
與各種地下金屬管道、電纜金屬屏蔽層、各大金屬構(gòu)件都要有
足夠距離?；谏厦鎯蓚€(gè)原因，所以獨(dú)立接地系統(tǒng)已不適合
站場(chǎng)的實(shí)際狀況。
如果采用共用接地，雷電流在沖擊接地電阻上產(chǎn)生的高
電壓，將同時(shí)存在各系統(tǒng)的接地線上，各設(shè)備地線之間不存在高
電位差，也不存在同一臺(tái)設(shè)備的各接地系統(tǒng)之間的擊穿問題 。
SCADA監(jiān)控系統(tǒng)的保護(hù)接地屬于低壓配電系統(tǒng)接地，所
以應(yīng)按電氣專業(yè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和方法進(jìn)行；應(yīng)接入電氣專
業(yè)的低壓配電系統(tǒng)接地網(wǎng)，即等電位共用接地網(wǎng)。
圖6 儀表及控制柜接地系統(tǒng)原理
本方案的儀表接地系統(tǒng)(如圖6所示)采用了《SH3081—
2003T石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》 進(jìn)行安裝，新增浪涌接
地匯流總板，將保護(hù)地、工作地、浪涌地分開；現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備電
纜護(hù)管接地就近引入接地網(wǎng)，并將低壓配電接地與儀表接地
通過鍍鋅扁鐵實(shí)現(xiàn)等電位連接；設(shè)備接地設(shè)施施工時(shí)符合要
求的接地重新引入等電位接地網(wǎng)中。
3 結(jié)論
上述處理措施主要針對(duì)本案例，經(jīng)過幾年雷雨期沒有再
出現(xiàn)雷擊損壞上述設(shè)備的事故發(fā)生，說明采取的措施對(duì)SCA—
DA監(jiān)控系統(tǒng)防雷有一定的效果。鑒于此情況在原油管道
SCADA監(jiān)控系統(tǒng)有一定的普遍性，因此此案例在石油管道行
業(yè)有一定的推廣價(jià)值。
由于雷電活動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的自然現(xiàn)象，防雷是一個(gè)綜合
性的整體工程，它不但涉及電氣、儀表還和土建的基建項(xiàng)目有
重要的關(guān)聯(lián)，需要多個(gè)專業(yè)及各個(gè)部門的通力合作，才能盡量
減少雷害的發(fā)生，在這里我們只是簡(jiǎn)單對(duì)SCADA監(jiān)控系統(tǒng)的
防雷措施進(jìn)行了介紹，本課題也是作為一個(gè)嘗試，我們將繼續(xù)
不懈地研究，以保障原油管道SCADA監(jiān)控系統(tǒng)輸油站場(chǎng)的生
產(chǎn)安全運(yùn)行。口
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介：蘇彩虹(1979一)，助理工程師，主要從事輸油管道自動(dòng)化設(shè)
計(jì)與實(shí)施管理工作。
收稿日期：2011-01—11
EIC VoI。18 2011 NO．3 91

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