輸油管道SCADA系統雷擊防護問題探討

【摘 要】SCADA 監控系統是一個基于計算機的監控系統，能對遠程站場的輸油泵、閥功能進行現場或遠程控制，并通過遠程PLC 控制系統收集輸油站場的各類數據，在很大程度上還要整合其它各輔助系統的運行信息和生產數據，并將這些數據提供給操作人員和管理者。他由通信設備、計算機工作站、PLC 控制系統等設備組成，而這些都屬于電子設備，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。因此，做好原油管道 SCADA 監控系統設備的雷擊防護工作，對提高原油管道生產安全運行有著非常重要的作用。通過對某原油管道 SCADA 監控系統雷擊事故的原因及危害分析，針對本案采取增加浪涌保護器和改善接地系統連接網的防護措施，增強管道 SCADA 監控系統的雷擊防護。

【關鍵詞】SCADA監控系統；防雷接地；浪涌保護器

1.雷擊實例及事故分析

1.1雷擊實例簡介

2007年管道儲運公司某輸油處13號站點受到雷擊，對事故現場進行了勘查，發現SCADA監控系統室內UPS被雷擊損壞，2個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；配電室內的全自動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監控系統整體癱瘓，使得工作人員不能及時有效的查看數據及數據處理，嚴重影響了該條原油管道的正常輸油生產。

1.2雷擊事故原因分析

1.2.1電源防雷器保護不到位

在UPS后端安裝防雷器，致使雷電流侵入電源線路時，UPS得不到防雷器的保護，因而被雷擊損壞。配電室內的全自動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備，雷電流通過電源線侵入到設備，致使設備損壞。

1.2.2控制回路沒有采取防雷措施

SCADA監控系統PLC控制回路沒有采取防雷措施，很容易受電磁脈沖輻射。雷電流在其通道周圍的空間產生電磁場，向外輻射電磁波，耦合到SCADA監控系統控制室的計算機、儀表和現場儀器儀表，以及各類金屬導體上，產生感應電動勢或感生電流，造成設備故障，損壞以致控制系統失靈。

1.2.3接地沒有形成等電位

該站點有3個地網，雖然每個地網的接地電阻都小于1Ω，但是地網之間距離相隔不到5m，而且沒有將其多個捆綁集中起來形成等電勢地網。這種情況很容易造成反擊現象，雷電流有可能從地電位引入，侵入一些用電設備。

2.防雷措施的實施

防雷系統是一個綜合系統，其基本的防護原則有分流和接地、屏蔽、合理布線、過電壓保護等。通過此事故原因分析，具體實施措施：采用了增加浪涌保護器和改善接地的方法，來增強原油輸油站場SCADA監控系統設備對雷擊的防護。

2.1增加浪涌保護器

2.1.1電源防雷器保護

根據《建筑物防雷設計規范》和《雷電電磁脈沖的防護》第三部分電涌保護器的要求表明對于電源系統的防雷問題，一般原則上要求采用三級保護。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，作為第一級電源保護；在UPS前端安裝電源防雷器，作為第二級電源保護；在UPS后端一些重要用電設備的前端安裝電源防雷器，作為第三級電源保護。

（1）電源一級防護：

通常將配電系統第一級防雷保護設計為：使用：10/350μs波形、通流容量40kA每線，8/20μs波形、通流容量100kA每線的B級電源電涌保護器將感應雷擊過電壓限制到4000V以下。所有接線用 25mm2多股銅線連接，地線用25mm2多股銅線連接。

（2）電源二級防護：

對于低壓配電室等屬于需要重要保護的區域，浪涌保護器應選擇通流容量為 40kA。安裝于配電箱內。為防止浪涌保護器遭受雷擊后損壞后，電源對地短路，需要在浪涌保護器前安裝空氣開關及保險端子作為短路保護裝置。

（3）電源三級防護

依據配電線路設計的實際情況，考慮到各種電子設備的重要性，將配電系統第三級防雷保護設計為：使用8/20μs波形、通流容量20kA每線的電源電涌保護器將感應雷擊過電壓限制到1500V以下。選用V10-C/1+NPE、VF230-AC電源防雷模塊。

2.1.2控制回路防雷器保護

在SCADA監控系統控制柜中對每一個控制回路增加浪涌保護器（SPD）可以限制回路中瞬態過電壓和分走雷擊產生的浪涌電流。它拼接在被保護設備的前端，在無浪涌出現時為高阻抗（即開路狀態），當出現浪涌時就在最短的時間內（納秒級）內迅速將雷電流泄放到地使浪涌保護器（SPD）變為低阻抗，從而保護了被保護設備。

2.2改善接地系統的連接網

接地是防雷技術最重要的環節，不管是直擊雷，感應雷或其它形式的雷，都將通過接地裝置導入大地。因此，沒有合理而良好的接地裝置，就不能有效地防雷。每個輸油站場SCADA監控系統所在的一座建筑物內有許多不同性質的設備，需要多個接地裝置，如避雷接地、保護接地、工作接地、防靜電接地等。各SCADA監控系統的儀表柜、通信設備和交流電源設備的接地是為了獲得一個零電位點。如果各設備分別接地，當發生雷擊的時候各設備的接地點的電位可能相差很大，而電位差往往是造成敏感電子設備損壞的原因之一。其次，在站場內要分別做幾個相互沒有連接的地網是很困難的，因為要求單個地網之間最小要有5m乃至20m的距離，同時又要與各種地下金屬管道、電纜金屬屏蔽層、各大金屬構件都要有足夠距離。基于上面兩個原因，所以獨立接地系統已不適合站場的實際狀況。

如果采用共用接地，雷電流在沖擊接地電阻上產生的高電壓，將同時存在各系統的接地線上，各設備地線之間不存在高電位差，也不存在同一臺設備的各接地系統之間的擊穿問題。SCADA 監控系統的保護接地屬于低壓配電系統接地，所以應按電氣專業的有關標準規范和方法進行；應接入電氣專業的低壓配電系統接地網，即等電位共用接地網。本方案的儀表接地系統采用了《SH3081-2003T 石油化工儀表接地設計規范》進行安裝，新增浪涌接地匯流總板，將保護地、工作地、浪涌地分開；現場儀表設備電纜護管接地就近引入接地網，并將低壓配電接地與儀表接地通過鍍鋅扁鐵實現等電位連接；設備接地設施施工時符合要求的接地重新引入等電位接地網中。

3.結論

上述處理措施主要針對本案例，經過幾年雷雨期沒有再出現雷擊損壞上述設備的事故發生，說明采取的措施對SCA-DA監控系統防雷有一定的效果。鑒于此情況在原油管道SCADA監控系統有一定的普遍性，因此此案例在石油管道行業有一定的推廣價值。由于雷電活動是一個復雜的自然現象，防雷是一個綜合性的整體工程，它不但涉及電氣、儀表還和土建的基建項目有重要的關聯，需要多個專業及各個部門的通力合作，才能盡量減少雷害的發生，在這里我們只是簡單對SCADA監控系統的防雷措施進行了介紹，本課題也是作為一個嘗試，我們將繼續不懈地研究，以保障原油管道SCADA監控系統輸油站場的生產安全運行。

【參考文獻】

[1]SH/T3081-2003石油化工儀表接地設計規范[S].

[2]GB50057-94建筑物防雷設計規范.