石油化工儀表系統(tǒng)的防雷設計分析

一、前 言

近年來，石油化工企業(yè)的規(guī)模、數(shù)量不斷擴大、增加，儀表系統(tǒng)向網(wǎng)絡化、智能化方向迅猛發(fā)展，而儀表設備普遍存在絕緣強度低、過電壓和過電流耐受能力差、對電磁干擾敏感等弱點，一旦儀表設備受到直接雷擊或其附近區(qū)域發(fā)生雷擊，雷電過電壓、過電流和脈沖電磁場會通過供電線、儀表信號線、電纜匯線槽、穿線管等途徑到達儀表設備，威脅儀表設備的正常工作和安全運行。

如果防護不當，輕則使儀表設備工作失靈，重則使儀表設備永久性損壞，嚴重時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)的設計必須高度重視防雷的設計。

二、石油化工儀表系統(tǒng)防雷的回顧

國內(nèi)目前在設計石油化工儀表系統(tǒng)時，基本上沒有考慮防雷問題，但國外在這方面已經(jīng)有了近20 年的研究和使用經(jīng)驗。國內(nèi)一些石油化工廠常常因為遭受雷擊，使控制系統(tǒng)癱瘓，造成裝置停車，經(jīng)濟損失巨大。于是，采取了一些補救的防雷措施，主要是采取分流法，就是在儀表系統(tǒng)的信號或通訊回路以及系統(tǒng)的供電電源部分采用浪涌保護器SPD（Surge ProtectiveDevice），用以限制瞬態(tài)過電壓和分走浪涌電流。但一個SPD 只能為回路的某部分提供保護；例如，一個安裝在DCS 控制室的SPD只能對DCS的卡件通道提供保護；一個安裝在現(xiàn)場變送器輸出的SPD只能對變送器提供保護。如果所有的I/O通道都裝SPD，成本將大幅度上升；再則，如果每個回路都增加兩個SPD的話，由于SPD本身也會出現(xiàn)故障（在生產(chǎn)實踐中已證明了這一點），儀表系統(tǒng)的故障率將會大大增加。

因此，國內(nèi)某些石油化工廠也只能在一些相對重要的場合部分地使用SPD，保護也只局限于現(xiàn)場儀表或控制室DCS、PLC 等，沒有真正實現(xiàn)儀表系統(tǒng)的整體防雷。

三、雷擊對儀表系統(tǒng)的危害形式

雷擊從形式上可分為直接雷擊與感應雷擊兩種，對儀表系統(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)場儀表設備或與之連接的管路，通常會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程中，產(chǎn)生強大的感應磁場，能通過信號傳輸線路耦合到控制室DCS 等電子設備內(nèi)，損壞DCS 等電子設備。

2. 感應雷擊

（1）靜電感應。當雷云來臨時，地面物體，尤其是導體聚積大量電荷產(chǎn)生放電，放電電流若進入現(xiàn)場儀表和用電設備，造成設備損壞。

（2）電磁脈沖輻射。雷電流在其通道周圍的空間產(chǎn)生電磁場，向外輻射電磁波，耦合到控制室的計算機、儀表和現(xiàn)場儀器儀表，以及各類金屬導體上，產(chǎn)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(tǒng)失靈。

3. 雷電過電壓侵入

直接擊雷或雷電感應都可能使導線或金屬管道產(chǎn)生過電壓，此雷電過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，強大的瞬間雷電流通過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)的接地體與該點沒有足夠安全距離，它們之間就會產(chǎn)生放電，造成反擊電流，可直接擊穿用電器的絕緣部分，會對儀表控制系統(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用，才能真正達到儀表系統(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

直接雷擊的防護主要由建筑物的防雷裝置實現(xiàn)，現(xiàn)場儀表系統(tǒng)的防雷，應和周圍的儲油罐等設備的防雷措施一起設計。

2. 均壓

當雷擊發(fā)生時，在雷電瞬態(tài)電流所經(jīng)過的路徑上將會產(chǎn)生瞬態(tài)電位升高，使該路徑與周圍的金屬物體之間形成瞬態(tài)電位差，如果這種瞬態(tài)的電位差超過了兩者之間的絕緣耐受強度，就會導致介質(zhì)的擊穿放電，這種擊穿放電能直接損壞儀表設備，也能產(chǎn)生電磁脈沖，干擾儀表系統(tǒng)的正常運行。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)場儀表的所有金屬外殼、構架、生產(chǎn)裝置的金屬設備、設施、儀表控制室內(nèi)的設備、組件和元件的金屬外殼、金屬設施連接在一起，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傳導到儀表系統(tǒng)中，地電位的變化對儀表系統(tǒng)也無影響。但由于儀表的外殼要進行保護接地，當雷電較強時，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 等設備的工作接地與保護接地分開，這種接地方式的突出優(yōu)點是可以就近接地，接地線的寄生電感小。但是如果較強的雷電波通過保護地進入系統(tǒng)，電子電路同樣會因承受高壓而損壞。由于以上兩種接地方式都不能滿足防雷的需要，因此，可以考慮將保護地與工作地相連接，并且接入防雷接地系統(tǒng)，問題就可以解決了。

4. 屏蔽

石油化工儀表系統(tǒng)大量采用半導體器件、集成電路和傳遞信號的電纜，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線上感應出瞬態(tài)過電壓波，沿線路侵入電子設備，使電子設備工作失靈或損壞。利用屏蔽體來阻擋或衰減電磁脈沖的能量傳播是一種有效的防護措施。儀表系統(tǒng)的防雷屏蔽主要包括三個方面：控制室屏蔽、現(xiàn)場儀表屏蔽、信號線和電源線屏蔽。

（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，對雷電產(chǎn)生的電磁脈沖十分敏感，需要特別注意其屏蔽問題。儀表控制室應是無窗的封閉結構，將房屋墻壁中的結構鋼筋交點處電氣連接，并與金屬門框焊接，構成一個帶門開口的屏蔽籠，在室內(nèi)沿墻壁四周再做一圈保護接地環(huán)（接入防雷地），接地環(huán)與屏蔽籠進行有效的電氣連接。

（2）現(xiàn)場儀表屏蔽

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

（3）信號線和電源線屏蔽

為了防止雷電電磁脈沖在信號或電源線路上感應出瞬態(tài)過電壓波，所有的信號線及低壓電源線都應采用有金屬屏蔽層的電纜。就瞬態(tài)過壓防護而言，需要信號線或電源線的屏蔽層沿線路多點接地或至少應在線路的首、末兩端接地。當采用多點接地后，各接地點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可能會有一部分透過屏蔽層，在電纜的芯-護套回路產(chǎn)生低頻干擾，這就要求屏蔽層沿線路只能采取單點接地。為了防止由多點接地所產(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

為了達到石油化工儀表系統(tǒng)的防雷，要對整個生產(chǎn)裝置根據(jù)等電位連接的原則加以設計，從控制室、現(xiàn)場儀表、儀表信號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、自控等專業(yè)協(xié)同合作來實現(xiàn)，除了考慮系統(tǒng)安全性以外，還要考慮投資的成本、運行的經(jīng)濟性。