2004年夏天，上海地区雷电频发，共有3个火电厂的热工控制系统及外围热工控制系统遭受雷电入侵而受到不同程度的损坏，这是上海地区近十几年来发电厂遭受雷害zui多、热工控制系统损坏zui严重、影响zui大的一年。
案例1：2004年7月6日、8日，某电厂4台300MW机组遭受2次雷害，瞬间造成4台机组全部退出AGC运行方式；其中3号机组A侧引风机轴承温度跃升十几度（zui高达87℃并发出“轴承温度高”报警）险些误跳风机；雷害使化水楼周边压力和温度变送器损坏10多台，损坏化水程控模块3块、打印机、交换机等多台。
案例2：2004年8月4日，某电厂350MW机组遭强雷电截击，雷后强大的雷电脉冲通过电源及信号电缆造成1号机组4块DCS的I/O模块损坏、2号机组2块模块损坏；外围水处理系统7台压力、温度变送器损坏；0号机组有20点轴承监测温度出现异常升高而产生误报警；另造成制氧1号高压氮压缩机电机轴承温升至连锁动作值而跳压缩机。
案例3：2004年8月22日，某自备电厂外围化水设备遭受雷电侵害，造成1个化水液位计、5台压力变送器损坏，通过信号电缆传导造成More热工控制系统2块I/O模块损坏、部分程序丢失，还造成部分供热用户蒸汽流量表计损坏。
分析发现，这3起雷害都是在宽广的场地引发的，并通过信号或电源电缆等将感应雷过电压或强雷电脉冲等导致热工控制系统损坏。从对现场露天安装热控表计检查发现，外壳接地不严格（以安装支架作为接地）、接地线松动、接虚及接地线脱落等现象比较普遍。
一、雷害及其入侵热工控制系统的途径
夏季，常常会发生闪电打雷的自然现象。当大气中云的不同部位、云与云之间或云与地面不同性质电荷差达到一定程度时，就会发生击穿空气的放电现象，就这是闪电。闪电通道上的空气由于高温而急速膨胀引起爆裂，发出的声音就是雷声。
有了雷电就有可能产生雷击，即发生一种雷雨云中释放电能击中物质而造成损失的灾害现象。人们往往比较重视直接雷击的危害，对感应雷害却存在认识上的误区。
所谓感应雷害，是指雷电的静电感应、电磁感应、过电压波、电磁辐射等。随着现代社会电子、通信、计算机控制技术的迅速发展，雷击灾害正从“直击雷害”向“感应雷害”转变，且频率越来越高，危害越来越大。据德国一家重要的电子保险公司统计，由于电涌（主要是雷电放电）对电子设备和系统的电磁干扰而造成的损坏赔偿费在十年内翻了两番。仅1990年就因电涌造成的电子设备与系统的损失超过10亿马克。
相对于热工控制系统，雷雨产生浪涌（冲击）电压的主要途径有以下3个方面：①直击雷于外部线路注入大电流流过接地电阻或外部线路阻抗而产生的浪涌电压；②雷击产生的电磁场在热工控制系统外部线缆上产生的感应电压和感应电流，即所谓间接雷击；③附近直接对地放电的雷电入地电流耦合到热工控制系统接地系统的公共接地路径上。
从调查情况看，雷电波（高电位）大多通过那些敷设不规范的线缆（包括I/O信号电缆通信电缆和电源电缆等）进入并导致热工控制系统发生异常、故障甚至损坏。
1.1建筑物外的侵入
（1）雷电远点袭击电力线。雷电首先击在电力线上，通过电力线直接击穿用电设备的电子元件，从而影响热工控制系统的供电。
（2）雷电近点电力线的入侵。实际上是雷电袭击用电设备所在的建筑物避雷针，引起雷电电磁脉冲。
除通过避雷引线、水管、金属门窗等与地面有连接的金属物质的雷电流外，剩下的部分将击穿UPS输出和输入对地线端，从而影响热工控制系统的供电和网络设备。
（3）错相位雷击。如果一个高能量雷打在一条火线上，而另一个低能量雷打在另一条火线上，线线之间会产生电压差侵入用电设备。直接影响三相UPS、热工控制系统及整个热工控制系统的供电。
1.2建筑物内感应雷击
雷电对热工控制系统的危害主要是通过直击雷和雷电电磁脉冲干扰两2种形式。
（1）雷电直接击中建筑物或地面，雷电流沿引下线、接地体流动过程中产生强大的感应电磁场，通过感应耦合到热工控制系统而损坏其电子元器件。另外，控制室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，会使局部地电位浮动并产生跨步电压，若防雷接地装置是独立的，它和热工控制系统的接地体没有足够的绝缘距离，它们之间会放电（称为雷电反击）而对热工控制系统产生干扰或破坏。
（2）雷电电磁脉冲干扰是指强大的雷闪电流产生的脉冲电磁场，它对热工控制系统的干扰有；
a）控制室建筑物的防直击雷装置接闪时，引下线会通过强大的瞬间雷电流，如在引下线一定距离内有连接热工控制系统的电源及I/O电缆等，则引下线内的雷电流会对这些电缆产生电磁辐射，将雷电波流引入热工控制系统损坏I/O模块；
b）控制室周围发生雷击放电时，会在各种金属管道、电缆线路上产生感应电压。如果这些管道和线路引入到控制室把过电压传导到热工控制系统上，也会对热工控制系统产生干扰或损坏。
二、热工控制系统及控制室防雷主要措施
人们认为安装了避雷针就能防避所有雷害，其实这是片面的。几百年前发明的避雷针只能预防直击雷，对感应雷害毫无作用。由于缺少科学常识和认识误区，致使某些单位对电子、控制、计算机等设施尚无任何预防感应雷害的措施，致使这些企业的设施雷害频发。
试验证实，0.24mT的电磁波冲击就能造成电子设备的直接损坏，0.003mT的电磁波冲击就能造成电子设备的误动。因此，自20世纪90年代起，IEC先后颁布了一系列防雷标准。我国颁布了GB50057-1994《建筑物防雷设计规范》的国家标准，该标准第6章专门规定了“防雷击电磁脉冲”的要求，表明防雷技术已引起国内各行业的重视。
2.1控制室及外围的防雷
雷电对热工控制系统破坏的原因在于其巨大的、远远超出控制设备所能承受的浪涌电流、电压。阻止和减少浪涌电流侵入热工控制系统是预防雷电危害的关键。由于热工控制系统通常放置在建筑物下，已在建筑物防雷系统的保护下，所受的危害不是直击雷，而是由于雷的电磁效应所产生的浪涌电流（亦称感应雷）。感应雷的产生可以分为：
1）电阻耦合：雷击导致附近的地电势急剧升高，若该地区控制、电气设备与远离雷击点的建筑内的设备有电缆连接，因电缆的电阻小于土地的电阻，浪涌电流就会在电缆中产生，从而危害两端的控制设备。
2）电感耦合：雷击使建筑物外部防雷设备的导体上产生巨大的瞬间电磁场，使建筑物内的电缆感应生成有害电压产生浪涌电流。
3）电容耦合：空中的高电压供电线很容易遇到雷击，虽然其本身的高压浪涌保护装置泄放了大量的能量，仍有相当多的能量由于其自身的高频特性以电容耦合的方式通过变压器进入建筑物的供电系统，危害电子设备。
IEC-61312《雷电电磁脉冲的防护》对雷电保护区的划分提出了图1所示的原则性建议。
一个欲保护的区域，从EMC（电磁兼容）的观点来看，由外到内可分为几级保护区，zui外层是0级，危险性zui高；我国大多数情况下的机房，就与0区仅一墙之隔，即只有一层屏蔽，则该机房内空间定为1区；各电子设备的外壳为一层屏蔽层，可视机壳内的空间为2区等。越往内部，危险程度越低，过压主要是沿线穿过的，保护区的界面通过外部防雷系统、钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层面形成。穿过各级雷电保护区的金属构件，一般应在保护区的分界面做等电位联接。
GB50057-1994按防雷要求分为一、二、三类防雷建筑物。一类要求zui高；二类次之。热控控制室如果和生产设备在同一建筑物内，其防直击雷设施应根据生产设备的特点综合确定和设计。如果热控控制室是独立的建筑物，应按该标准规定的三类防雷建筑物的标准设防。
将控制室的墙和层面内钢筋、金属门窗等进行等电位联接，并与防直击雷的接地装置相联，使控制室形成一个法拉第笼，可减少雷电磁脉冲的影响。控制室有许多电缆和外部相联，因此要对从室外进入控制室的各种电缆采取屏蔽措施，对容易被雷电波侵入的地方更应重视，只有堵死一切雷电导入的端口，才能有效保护热工控制系统设备免受雷电的侵害。
2.2热工控制系统的防雷
现代防雷技术的理论基础在于；闪电是电流源，防雷的基本途径就是要提供一条雷电流（包括雷电电磁脉冲辐射）对地泄放的合理的阻抗路径，而不能让其随机地选择放电通道，简而言之就是要控制雷电能量的泄放与转换。现代防雷保护的三道防线为：①外部保护：将绝大部分雷电流直接引入大地泄散；②内部保护：阻塞沿电源线或数据线、信号线侵入的雷电波危害设备；③过电压保护：限制被保护设备上的雷电过电压幅值。
然而，在热工控制系统应用中zui不清楚但又必须解决的问题也许就是接地问题。不仅很多用户不清楚，甚至有的热工控制系统厂家也未必很清楚。各热工控制系统厂家为保证系统能在各种复杂的应用现场正常运行，提出的接地要求也各不相同，不但概念比较笼统、模糊，且对接地的具体技术要求也存在较大差异，有的很苛刻，有的则相对较宽松。如有的DCS对内部交流地、逻辑地、系统地是不区分的，当电源的3根线（相线、零线、地线）接到机柜的配电盒时，即完成了系统接地。而有的DCS则采用1个接地点且与电气网共地方式。还有的DCS的安全地采用就地接大地或接入汇集板（总接地板），而系统地（直流工作地）则采用汇集板接地方式。但不管有何差异，用户应注意如下2点：
（1）保护接地：热工控制系统均有一个保护地，该保护地一般在机柜和其它设备设计加工时已在内部接好，有的系统已将该保护地在内部同电源进线的保护地（三芯插头的中间头）连在一起，有的不允许将保护地同该线相连，用户一定要仔细阅读厂家提供的接地安装说明书。不管哪种方式，保护接地必须将一台设备上所有的外设或系统的保护接地连在一起，然后用较粗的绝缘铜导线将各站的保护接地连在一起，再从一点上与大地接地系统相连。
（2）屏蔽地（模拟地）：是所有接地中要求zui高的一种。几乎所有的热工控制系统都提出屏蔽地一点接地，且接地电阻小于1Ω。在热工控制系统机柜内部都安置了屏蔽地汇流排，用户在接线时将屏蔽线分别接到屏蔽地汇流排上，在机柜底部，用纸缘的铜辫连到一点，然后将各机柜的汇流点再用绝缘的铜辫或铜条以辐射状连到接地点上。大多数的热工控制系统不仅要求各机柜屏蔽地对地电阻小于1Ω，且各机柜间的电阻也要小于1Ω。
HG/T20513-2000（仪表系统接地设计规定）对屏蔽电缆的接地原则上要求一端接地，另一端悬空。但单端接地只能防静电感应，不能防磁场强度变化所感应的电压，阻碍雷电波的侵入。为减少屏蔽芯线的感应电压，仅在屏蔽层一端做等电位联接的情况下，应采用有绝缘隔开的双层屏蔽，外层屏蔽（如用金属走线槽或穿线金属管作为第二屏蔽层）应至少在两端做等电位联接。从防雷角度看，走线槽及穿线金属管应选择金属材质而不应选用环氧树脂等绝缘材料。
要将热工控制系统的接地系统和防雷电系统的接地系统进行等地位联接，即使受到雷电反击，由于它们之间不存在电位差，所以不可能通过雷电反击构成对电子元件的威胁。空中飞行的飞机是一个很好的例子。空中的云层是雷电的发源地，飞机穿行其中，飞机中的人员安全、各种设备工作正常，这是因为其整体的金属外壳使它成为一个等电位体，雷电产生的浪涌电流不能进入飞机内部。因此等电位联接是热工控制系统免遭雷击的重要措施。
关于等电位联接的概念，我国zui早于1958年底建造人民大会堂时基于防雷要求提出的，这比国外早18年（英国的R.H.Golde1977年才在名著《雷电》一书中谈到）。由于等电位联接减小了系统内各金属部件和各系统间的电位差，无论是从防雷的角度或是从减小热工控制系统的共模干扰来看，这都是十分有益的。
热工控制系统（如DCS）一般采用图2的S型星形结构的等电位联接，和共用接地系统实行单点接地，即1个接地基准点（ERP）。
实践证明，即使采用等电位联接，但在接地网中的引入点和防雷地、大电流高电压设备的接地点距离不应小于5m，否则控制信号中常常会出现不明波形而影响系统的正常工作。
对等电位联接后接地电阻值的大小问题，国内防雷专家存在两种不同的观点：一种观点认为“只要实施了良好的等电位联接，接地电阻可以放宽，甚至可以对接地电阻的阻值不再作要求。”在IEC标准以及现行的TC81防雷标准中，确实是很难找到对接地电阻值的要求；另一种观点则认为雷击事故与接地电阻值有关，因此要求接地电阻值尽可能小。这两种观点到底孰是孰非尚无定论，但从“引雷入地”的观点出发，较小的接地电阻值显然有利于加速雷电能量的对地释放。再则，对热工控制系统而言，接地也不仅仅是为了防雷。因此不少行业标准对热工控制系统的接地电阻要求也不同，如电力部门对热工控制系统接地电阻的要求：采用独立接地时接地电阻小于4Ω；采用与电气网共地时接地电阻应小于1Ω；采用防雷地、电气地、热工控制系统地三者共地时应小于0.5Ω。实测结果说明火电厂电气接地网的接地电阻可达到小于0.1Ω。
2.3防雷接地及其接地布线
在防雷系统的设计和建设中，一定要求有一个良好的接地系统，因为所有防雷设施都需要通过接地系统把雷电流泄入大地，从而保护设备和人身安全。如果接地系统做得不好，不但会引起设备故障、烧坏元器件，严重时还将危及工作人员的生命安全。而电子设备为抗干扰采用的屏蔽技术、防静电技术和滤波技术等都要求建立一个良好的接地系统。
现摸拟一个建筑接地布线来分析其受到雷击时的情况。如有A、B两台互相传输数据的电子设备，假设电源线上输进5kA雷电电流波，按图3所示的等效电路，设备是否会被损坏?
假设：电源避雷器P性能优良，其响应时间和导通后的残压不会损坏A设备，雷电流Ip＝5kA全部流经避雷器P进入接地点G1入地；接地电阻R1＝1Ω、R2＝1Ω、R3＝1Ω，且互为独立接地。
雷电流Ip流过接地电阻R1时，接地点G1的地电位将抬升为U（G1）＝IPR1＝5kV。U（G1）此时会加到电源的输入端a1，而A设备的接地点G2为零电位，则电源输入端与入地点G2之间的电位差V（a1G2）＝5kV。
电子设备开关电源能耐受的zui高电压为800～1500V，若5kV的电压波加到a1—G2两端，则A设备的电源端将被过电压损坏。为避免此情况的发生，应将接地点G1与G2相连接（如图所示）。
G2电位变为5kV，此时，信号传输线另一端的设备B的接地点G3为零电位，而信号接口a2与接地点G2之间的电位差V（G2a2）变成了5kV，从而使信号接口a2损坏。要保护信号接口a2，就在a2和接地点G2之间安装残压小的信号避雷器PA，且接地点必须与G2相连。
虽A设备的信号接口a2并未损坏，但5kV电压已加到a2与G3端，信号接口b2会损坏吗?理论计算与实验结果表明：a2至b2的信号传输线若线径小于等于1mm，长度大于100mm，则线阻加上导线的分布电感所形成的电抗分压，使得加到b2与G3的电压V（b2G3）小于100V，但如传输线小于100m，则有可能使V（b2G3）大于100V使B设备受到雷击损坏。
从上述分析可见，除合理做好接地布线外，确保接地系统的完好、健康也是有效防雷的重要手段。为确保系统正常工作，要认真做好接地系统的定期维护保养，特别是在雷雨季节到来之前应做好：（1）检查全厂接地网的完好程度，采用精密地阻仪检测接地电阻大小；（2）对投产多年的电厂，要认真做好接地网寿命周期、接地体腐蚀状况评估；（3）认真检查露天安装热工控制系统（变送器、液位计等）壳体、屏蔽电缆、走线糟等接地状况，严防接地线缆松动、虚接、脱落、接地电阻过大等异常情况的发生；（4）为提高接地装置使用效率，应考虑使用长效降阻剂。
2.4防雷浪涌保护器
浪涌保护器（SPD）是一种限制瞬态过电压和分走浪涌电流的器件，可分为强电和弱电SPD，这里仅就热工控制系统用弱电SPD进行介绍。在正常情况下，SPD不对电路产生影响；当浪涌电流侵入时，SPD将所有连接部分与地线短路，使线路中的浪涌电流迅速释放入地，从而使线路所连接的设备不受浪涌的侵害；浪涌终止后，使SPD恢复正常。
SPD由气体放电管、电感和浪涌二极管混合构成三大类。
气体放电管：具有在低电压触发导通，通过电流大，使用寿命长的特点，但瞬变量大时触发电压远大于额定触发电压，造成残压高。另外，在气体放电管被触发的情况下，尤其是在阻抗低、电压超过24V的电路中会出现下列情况，即原来希望维持几个毫秒的短路状态，会因为电路供电电流较大，使该气体防电器继续保持下去而导致放电管破碎。
浪涌二极管：即为导通大电流的齐纳二极管，具有反应速度快、限制电压准确的优点，但有明显电容效应，会影响回路带宽。
电感：用来分隔气体放电管和浪涌二极管，在气体放电管未触发，二极管已导通时，电感可限制峰值电流。
当有连结电缆从室外或其它系统进入控制室时，装设SPD可以保护热工控制系统免遭雷电浪涌的闪击而损害。
在选用SPD时，一定按实用性、发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费；二要注意其工作电压、负载电流与系统回路匹配问题，其zui大连续操作电压应略大于回路zui大正常工作电压，负载电流应大于回路zui大正常工作电流。SPD可选择串联和并联安装形式，SPD应放在与被保护设备（表计）相同的防护、防爆等级的保护箱内。
在SPD与热工控制系统的连接安装时，应注意：
1）现场仪表至控制室连接电缆宜采用双绞屏蔽电缆，置于金属保护管或封闭电缆槽中，尽量避免电缆裸露与保护管之外，保护管及电缆槽应与就近保护接地网有效连接，以zui大限度地减少雷击和其它大电场对电缆部分产生影响。
2）现场仪表的金属外壳应就近与所在的建筑物的金属构架相连接，形成等电位体。
3）SPD安装位置应尽可能靠近被保护设备，在控制室内，SPD柜放在外侧，被保护的机柜放于中心侧。
各种防雷器性能再好，如果没有很好的接地装置也难奏效，因此以千安计算的强大雷电流要在地电阻上形成很高的电压，接地电阻越大，该电压就越高。因此，尽量减小接地电阻是有效防雷的基础。
三、结语
由于雷电的多样性和不确定性，而所保护的热工控制系统又涉及到的工艺流程、管线和电气系统范围大、种类杂，所以，不能将热工控制系统的防雷工作看成是各类避雷设施的简单堆砌。实践证明，热工控制系统的防雷工作是一项要求高、难度大的系统工程，既要贯彻经济、实用、高标准、严要求、高起点、高可靠性原则，又要不断摸索和完善热工控制系统防雷的方法、理论，以使热工控制有得到更为全面、可靠、合理的保护。
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