石油化工儀表系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)分析

一、前 言

近年來(lái)，石油化工企業(yè)的規(guī)模、數(shù)量不斷擴(kuò)大、增加，儀表系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向迅猛發(fā)展，而儀表設(shè)備普遍存在絕緣強(qiáng)度低、過(guò)電壓和過(guò)電流耐受能力差、對(duì)電磁干擾敏感等弱點(diǎn)，一旦儀表設(shè)備受到直接雷擊或其附近區(qū)域發(fā)生雷擊，雷電過(guò)電壓、過(guò)電流和脈沖電磁場(chǎng)會(huì)通過(guò)供電線、儀表信號(hào)線、電纜匯線槽、穿線管等途徑到達(dá)儀表設(shè)備，威脅儀表設(shè)備的正常工作和安全運(yùn)行。

如果防護(hù)不當(dāng)，輕則使儀表設(shè)備工作失靈，重則使儀表設(shè)備永久性損壞，嚴(yán)重時(shí)還可能造成人員傷亡、生產(chǎn)事故。

因此，現(xiàn)代石油化工儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須高度重視防雷的設(shè)計(jì)。

二、石油化工儀表系統(tǒng)防雷的回顧

國(guó)內(nèi)目前在設(shè)計(jì)石油化工儀表系統(tǒng)時(shí)，基本上沒(méi)有考慮防雷問(wèn)題，但國(guó)外在這方面已經(jīng)有了近20 年的研究和使用經(jīng)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)一些石油化工廠常常因?yàn)樵馐芾讚簦箍刂葡到y(tǒng)癱瘓，造成裝置停車(chē)，經(jīng)濟(jì)損失巨大。于是，采取了一些補(bǔ)救的防雷措施，主要是采取分流法，就是在儀表系統(tǒng)的信號(hào)或通訊回路以及系統(tǒng)的供電電源部分采用浪涌保護(hù)器SPD（Surge ProtectiveDevice），用以限制瞬態(tài)過(guò)電壓和分走浪涌電流。但一個(gè)SPD 只能為回路的某部分提供保護(hù)；例如，一個(gè)安裝在DCS 控制室的SPD只能對(duì)DCS的卡件通道提供保護(hù)；一個(gè)安裝在現(xiàn)場(chǎng)變送器輸出的SPD只能對(duì)變送器提供保護(hù)。如果所有的I/O通道都裝SPD，成本將大幅度上升；再則，如果每個(gè)回路都增加兩個(gè)SPD的話，由于SPD本身也會(huì)出現(xiàn)故障（在生產(chǎn)實(shí)踐中已證明了這一點(diǎn)），儀表系統(tǒng)的故障率將會(huì)大大增加。

因此，國(guó)內(nèi)某些石油化工廠也只能在一些相對(duì)重要的場(chǎng)合部分地使用SPD，保護(hù)也只局限于現(xiàn)場(chǎng)儀表或控制室DCS、PLC 等，沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)儀表系統(tǒng)的整體防雷。

三、雷擊對(duì)儀表系統(tǒng)的危害形式

雷擊從形式上可分為直接雷擊與感應(yīng)雷擊兩種，對(duì)儀表系統(tǒng)可能產(chǎn)生的危害形式劃分為下列幾種：

1. 直接雷擊

雷電直接擊中現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備或與之連接的管路，通常會(huì)損壞儀表的傳感器模件并且可能損壞變送器的電子線路板。雷電流在沿儀表支架流入大地的過(guò)程中，產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)磁場(chǎng)，能通過(guò)信號(hào)傳輸線路耦合到控制室DCS 等電子設(shè)備內(nèi)，損壞DCS 等電子設(shè)備。

2. 感應(yīng)雷擊

（1）靜電感應(yīng)。當(dāng)雷云來(lái)臨時(shí)，地面物體，尤其是導(dǎo)體聚積大量電荷產(chǎn)生放電，放電電流若進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)儀表和用電設(shè)備，造成設(shè)備損壞。

（2）電磁脈沖輻射。雷電流在其通道周?chē)目臻g產(chǎn)生電磁場(chǎng)，向外輻射電磁波，耦合到控制室的計(jì)算機(jī)、儀表和現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表，以及各類(lèi)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。

3. 雷電過(guò)電壓侵入

直接擊雷或雷電感應(yīng)都可能使導(dǎo)線或金屬管道產(chǎn)生過(guò)電壓，此雷電過(guò)電壓沿各種金屬管道、電纜槽、電纜線路就可能將高電位引入儀表系統(tǒng)，造成干擾和破壞。

4. 反擊

防雷裝置接閃時(shí)，強(qiáng)大的瞬間雷電流通過(guò)引下線流入接地裝置，由于大地電阻的存在，雷電電荷不能快速向大地泄放，必然會(huì)引起局部地電位上升（可能上百千伏），如果儀表控制系統(tǒng)的接地體與該點(diǎn)沒(méi)有足夠安全距離，它們之間就會(huì)產(chǎn)生放電，造成反擊電流，可直接擊穿用電器的絕緣部分，會(huì)對(duì)儀表控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾乃至破壞。

四、儀表系統(tǒng)防雷的主要措施

對(duì)于侵入儀表系統(tǒng)雷害的治理的措施是多方面的，主要包括接閃、分流、均壓、接地和屏蔽等。這些措施必須綜合運(yùn)用，才能真正達(dá)到儀表系統(tǒng)的防雷。目前石油化工儀表系統(tǒng)所采取的防雷措施如下：

1. 接閃

直接雷擊的防護(hù)主要由建筑物的防雷裝置實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)儀表系統(tǒng)的防雷，應(yīng)和周?chē)膬?chǔ)油罐等設(shè)備的防雷措施一起設(shè)計(jì)。

2. 均壓

當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，在雷電瞬態(tài)電流所經(jīng)過(guò)的路徑上將會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電位升高，使該路徑與周?chē)慕饘傥矬w之間形成瞬態(tài)電位差，如果這種瞬態(tài)的電位差超過(guò)了兩者之間的絕緣耐受強(qiáng)度，就會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)的擊穿放電，這種擊穿放電能直接損壞儀表設(shè)備，也能產(chǎn)生電磁脈沖，干擾儀表系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為了消除雷電瞬態(tài)電流路徑與金屬物體之間的擊穿放電，可以將所有現(xiàn)場(chǎng)儀表的所有金屬外殼、構(gòu)架、生產(chǎn)裝置的金屬設(shè)備、設(shè)施、儀表控制室內(nèi)的設(shè)備、組件和元件的金屬外殼、金屬設(shè)施連接在一起，并且與儀表控制室的防雷接地系統(tǒng)相連接，形成完善的等電位連接。

3. 接地

目前國(guó)內(nèi)石油化工儀表系統(tǒng)的接地主要有兩種措施：浮地、多點(diǎn)接地。

（1）浮地是指儀表的工作地與建筑物的接地系統(tǒng)保持絕緣，這樣建筑物接地系統(tǒng)中的電磁干擾就不會(huì)傳導(dǎo)到儀表系統(tǒng)中，地電位的變化對(duì)儀表系統(tǒng)也無(wú)影響。但由于儀表的外殼要進(jìn)行保護(hù)接地，當(dāng)雷電較強(qiáng)時(shí)，儀表外殼與其內(nèi)部電子電路之間可能出現(xiàn)很高的電壓，將兩者之間絕緣間隙擊穿，造成電子線路損壞。

（2）接地是指儀表、DCS、PLC 等設(shè)備的工作接地與保護(hù)接地分開(kāi)，這種接地方式的突出優(yōu)點(diǎn)是可以就近接地，接地線的寄生電感小。但是如果較強(qiáng)的雷電波通過(guò)保護(hù)地進(jìn)入系統(tǒng)，電子電路同樣會(huì)因承受高壓而損壞。由于以上兩種接地方式都不能滿足防雷的需要，因此，可以考慮將保護(hù)地與工作地相連接，并且接入防雷接地系統(tǒng)，問(wèn)題就可以解決了。

4. 屏蔽

石油化工儀表系統(tǒng)大量采用半導(dǎo)體器件、集成電路和傳遞信號(hào)的電纜，由雷擊產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁脈沖可以直接輻射到這些元器件上，也可以在電源或信號(hào)線上感應(yīng)出瞬態(tài)過(guò)電壓波，沿線路侵入電子設(shè)備，使電子設(shè)備工作失靈或損壞。利用屏蔽體來(lái)阻擋或衰減電磁脈沖的能量傳播是一種有效的防護(hù)措施。儀表系統(tǒng)的防雷屏蔽主要包括三個(gè)方面：控制室屏蔽、現(xiàn)場(chǎng)儀表屏蔽、信號(hào)線和電源線屏蔽。

（1）控制室屏蔽

控制室內(nèi)的控制系統(tǒng)是儀表系統(tǒng)的心臟，對(duì)雷電產(chǎn)生的電磁脈沖十分敏感，需要特別注意其屏蔽問(wèn)題。儀表控制室應(yīng)是無(wú)窗的封閉結(jié)構(gòu)，將房屋墻壁中的結(jié)構(gòu)鋼筋交點(diǎn)處電氣連接，并與金屬門(mén)框焊接，構(gòu)成一個(gè)帶門(mén)開(kāi)口的屏蔽籠，在室內(nèi)沿墻壁四周再做一圈保護(hù)接地環(huán)（接入防雷地），接地環(huán)與屏蔽籠進(jìn)行有效的電氣連接。

（2）現(xiàn)場(chǎng)儀表屏蔽

現(xiàn)場(chǎng)儀表可采用金屬的儀表箱（罩）實(shí)現(xiàn)防雷屏蔽，儀表箱（罩）要與其它現(xiàn)場(chǎng)的金屬設(shè)施實(shí)現(xiàn)等電位連接，并接入防雷接地系統(tǒng)。

（3）信號(hào)線和電源線屏蔽

為了防止雷電電磁脈沖在信號(hào)或電源線路上感應(yīng)出瞬態(tài)過(guò)電壓波，所有的信號(hào)線及低壓電源線都應(yīng)采用有金屬屏蔽層的電纜。就瞬態(tài)過(guò)壓防護(hù)而言，需要信號(hào)線或電源線的屏蔽層沿線路多點(diǎn)接地或至少應(yīng)在線路的首、末兩端接地。當(dāng)采用多點(diǎn)接地后，各接地點(diǎn)之間的屏蔽層沿線路之間形成回路，低頻干擾電流的電磁場(chǎng)可能會(huì)有一部分透過(guò)屏蔽層，在電纜的芯-護(hù)套回路產(chǎn)生低頻干擾，這就要求屏蔽層沿線路只能采取單點(diǎn)接地。為了防止由多點(diǎn)接地所產(chǎn)生的低頻干擾，可將電纜穿入金屬管內(nèi)或采用雙屏蔽電纜，將金屬管或雙屏蔽電纜的外屏蔽層采取多點(diǎn)接地，金屬管內(nèi)或雙屏蔽電纜的內(nèi)屏蔽層可以采用一端接地，這樣既保證安全，又有利于抑制低頻干擾。

5. 分流

分流是防雷的有效措施，由于儀表回路太多，不可能在每個(gè)儀表回路中都使用SPD，必須有選擇地在重要回路和系統(tǒng)電源回路中安裝SPD 或避雷器。

五、總 述

為了達(dá)到石油化工儀表系統(tǒng)的防雷，要對(duì)整個(gè)生產(chǎn)裝置根據(jù)等電位連接的原則加以設(shè)計(jì)，從控制室、現(xiàn)場(chǎng)儀表、儀表信號(hào)和電源線等多方面綜合考慮，采用接閃、分流、均壓、接地、屏蔽等多種措施，需要電氣、建筑、自控等專(zhuān)業(yè)協(xié)同合作來(lái)實(shí)現(xiàn)，除了考慮系統(tǒng)安全性以外，還要考慮投資的成本、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。