石油化工仪表系统的防雷分析设计

一、前 言

近年来，石油化工企业的规模、数量不断扩大、增加，仪表系统向网络化、智能化方向迅猛发展，而仪表设备普遍存在绝缘强度低、过电压和过电流耐受能力差、对电磁干扰敏感等弱点，一旦仪表设备受到直接雷击或其附近区域发生雷击，雷电过电压、过电流和脉冲电磁场会通过供电线、仪表信号线、电缆汇线槽、穿线管等途径到达仪表设备，威胁仪表设备的正常工作和安全运行。

如果防护不当，轻则使仪表设备工作失灵，重则使仪表设备永久性损坏，严重时还可能造成人员伤亡、生产事故。

因此，现代石油化工仪表系统的设计必须高度重视防雷的设计。

二、石油化工仪表系统防雷的回顾

国内目前在设计石油化工仪表系统时，基本上没有考虑防雷问题，但国外在这方面已经有了近20 年的研究和使用经验。国内一些石油化工厂常常因为遭受雷击，使控制系统瘫痪，造成装置停车，经济损失巨大。于是，采取了一些补救的防雷措施，主要是采取分流法，就是在仪表系统的信号或通讯回路以及系统的供电电源部分采用浪涌保护器SPD（Surge ProtectiveDevice），用以限制瞬态过电压和分走浪涌电流。但一个SPD 只能为回路的某部分提供保护；例如，一个安装在DCS 控制室的SPD只能对DCS的卡件通道提供保护；一个安装在现场变送器输出的SPD只能对变送器提供保护。如果所有的I/O通道都装SPD，成本将大幅度上升；再则，如果每个回路都增加两个SPD的话，由于SPD本身也会出现故障（在生产实践中已证明了这一点），仪表系统的故障率将会大大增加。

因此，国内某些石油化工厂也只能在一些相对重要的场合部分地使用SPD，保护也只局限于现场仪表或控制室DCS、PLC 等，没有真正实现仪表系统的整体防雷。

三、雷击对仪表系统的危害形式

雷击从形式上可分为直接雷击与感应雷击两种，对仪表系统可能产生的危害形式划分为下列几种：

1. 直接雷击

雷电直接击中现场仪表设备或与之连接的管路，通常会损坏仪表的传感器模件并且可能损坏变送器的电子线路板。雷电流在沿仪表支架流入大地的过程中，产生强大的感应磁场，能通过信号传输线路耦合到控制室DCS 等电子设备内，损坏DCS 等电子设备。

2. 感应雷击

（1）静电感应。当雷云来临时，地面物体，尤其是导体聚积大量电荷产生放电，放电电流若进入现场仪表和用电设备，造成设备损坏。

（2）电磁脉冲辐射。雷电流在其通道周围的空间产生电磁场，向外辐射电磁波，耦合到控制室的计算机、仪表和现场仪器仪表，以及各类金属导体上，产生感应电动势或感生电流，造成设备故障，损坏以致控制系统失灵。

3. 雷电过电压侵入

直接击雷或雷电感应都可能使导线或金属管道产生过电压，此雷电过电压沿各种金属管道、电缆槽、电缆线路就可能将高电位引入仪表系统，造成干扰和破坏。

4. 反击

防雷装置接闪时，强大的瞬间雷电流通过引下线流入接地装置，由于大地电阻的存在，雷电电荷不能快速向大地泄放，必然会引起局部地电位上升（可能上百千伏），如果仪表控制系统的接地体与该点没有足够安全距离，它们之间就会产生放电，造成反击电流，可直接击穿用电器的绝缘部分，会对仪表控制系统产生干扰乃至破坏。

四、仪表系统防雷的主要措施

对于侵入仪表系统雷害的治理的措施是多方面的，主要包括接闪、分流、均压、接地和屏蔽等。这些措施必须综合运用，才能真正达到仪表系统的防雷。目前石油化工仪表系统所采取的防雷措施如下：

1. 接闪

直接雷击的防护主要由建筑物的防雷装置实现，现场仪表系统的防雷，应和周围的储油罐等设备的防雷措施一起设计。

2. 均压

当雷击发生时，在雷电瞬态电流所经过的路径上将会产生瞬态电位升高，使该路径与周围的金属物体之间形成瞬态电位差，如果这种瞬态的电位差超过了两者之间的绝缘耐受强度，就会导致介质的击穿放电，这种击穿放电能直接损坏仪表设备，也能产生电磁脉冲，干扰仪表系统的正常运行。为了消除雷电瞬态电流路径与金属物体之间的击穿放电，可以将所有现场仪表的所有金属外壳、构架、生产装置的金属设备、设施、仪表控制室内的设备、组件和元件的金属外壳、金属设施连接在一起，并且与仪表控制室的防雷接地系统相连接，形成完善的等电位连接。

3. 接地

目前国内石油化工仪表系统的接地主要有两种措施：浮地、多点接地。

（1）浮地是指仪表的工作地与建筑物的接地系统保持绝缘，这样建筑物接地系统中的电磁干扰就不会传导到仪表系统中，地电位的变化对仪表系统也无影响。但由于仪表的外壳要进行保护接地，当雷电较强时，仪表外壳与其内部电子电路之间可能出现很高的电压，将两者之间绝缘间隙击穿，造成电子线路损坏。

（2）接地是指仪表、DCS、PLC 等设备的工作接地与保护接地分开，这种接地方式的突出优点是可以就近接地，接地线的寄生电感小。但是如果较强的雷电波通过保护地进入系统，电子电路同样会因承受高压而损坏。由于以上两种接地方式都不能满足防雷的需要，因此，可以考虑将保护地与工作地相连接，并且接入防雷接地系统，问题就可以解决了。

4. 屏蔽

石油化工仪表系统大量采用半导体器件、集成电路和传递信号的电缆，由雷击产生的瞬态电磁脉冲可以直接辐射到这些元器件上，也可以在电源或信号线上感应出瞬态过电压波，沿线路侵入电子设备，使电子设备工作失灵或损坏。利用屏蔽体来阻挡或衰减电磁脉冲的能量传播是一种有效的防护措施。仪表系统的防雷屏蔽主要包括三个方面：控制室屏蔽、现场仪表屏蔽、信号线和电源线屏蔽。

（1）控制室屏蔽

控制室内的控制系统是仪表系统的心脏，对雷电产生的电磁脉冲十分敏感，需要特别注意其屏蔽问题。仪表控制室应是无窗的封闭结构，将房屋墙壁中的结构钢筋交点处电气连接，并与金属门框焊接，构成一个带门开口的屏蔽笼，在室内沿墙壁四周再做一圈保护接地环（接入防雷地），接地环与屏蔽笼进行有效的电气连接。

（2）现场仪表屏蔽

现场仪表可采用金属的仪表箱（罩）实现防雷屏蔽，仪表箱（罩）要与其它现场的金属设施实现等电位连接，并接入防雷接地系统。

（3）信号线和电源线屏蔽

为了防止雷电电磁脉冲在信号或电源线路上感应出瞬态过电压波，所有的信号线及低压电源线都应采用有金属屏蔽层的电缆。就瞬态过压防护而言，需要信号线或电源线的屏蔽层沿线路多点接地或至少应在线路的首、末两端接地。当采用多点接地后，各接地点之间的屏蔽层沿线路之间形成回路，低频干扰电流的电磁场可能会有一部分透过屏蔽层，在电缆的芯-护套回路产生低频干扰，这就要求屏蔽层沿线路只能采取单点接地。为了防止由多点接地所产生的低频干扰，可将电缆穿入金属管内或采用双屏蔽电缆，将金属管或双屏蔽电缆的外屏蔽层采取多点接地，金属管内或双屏蔽电缆的内屏蔽层可以采用一端接地，这样既保证安全，又有利于抑制低频干扰。

5. 分流

分流是防雷的有效措施，由于仪表回路太多，不可能在每个仪表回路中都使用SPD，必须有选择地在重要回路和系统电源回路中安装SPD 或避雷器。

五、总 述

为了达到石油化工仪表系统的防雷，要对整个生产装置根据等电位连接的原则加以设计，从控制室、现场仪表、仪表信号和电源线等多方面综合考虑，采用接闪、分流、均压、接地、屏蔽等多种措施，需要电气、建筑、自控等专业协同合作来实现，除了考虑系统安全性以外，还要考虑投资的成本、运行的经济性。