關(guān)于化工裝置儀表自控系統(tǒng)防雷的論述

欒家斌

（大連化工研究設(shè)計院，遼寧大連 116023）

關(guān)于化工裝置儀表自控系統(tǒng)防雷的論述

欒家斌

（大連化工研究設(shè)計院，遼寧大連 116023）

介紹了雷電對化工企業(yè)儀器儀表及控制系統(tǒng)造成的危害和影響，簡要說明化工企業(yè)儀表自控系統(tǒng)的防雷體系，闡述儀表自控系統(tǒng)防雷的對策和措施。

浪涌保護；接閃；均壓；屏蔽；分流

近年來，儀器儀表的計算機自動化控制技術(shù)在化工行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，儀表自控系統(tǒng)正向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向迅猛發(fā)展，而由于儀器儀表等設(shè)備過電壓和過電流耐受能力差、對電磁干擾敏感等弱點，雷電對儀表自控系統(tǒng)所構(gòu)成的威脅日益增大，雷電過電壓、過電流和脈沖電磁場會通過儀表信號回路、供電回路、電纜匯線槽、穿線管等途徑到達儀器儀表設(shè)備，威脅儀表自控系統(tǒng)的正常工作和安全運行。因此，在現(xiàn)代化工儀表自控系統(tǒng)中合理的防范雷電變得尤為重要。

1 雷電對儀表自控系統(tǒng)的危害和影響

化工企業(yè)常常因為遭受雷擊，造成儀表自動化控制系統(tǒng)癱瘓，使企業(yè)蒙受經(jīng)濟損失。一般的防雷措施主要是采用分流法，通過在儀表自控系統(tǒng)的信號回路等安裝浪涌保護器（Surge Protective Device），以達到限制瞬間過電壓和過電流的目的。但是單位SPD的特點是只能為回路的局部提供保護，例如安裝在DCS系統(tǒng)控制室的單通道SPD只能對DCS系統(tǒng)相對應(yīng)的卡件通道提供保護；安裝在現(xiàn)場信號變送通道的SPD只能對變送器提供保護。如果每個I／O通道都安裝SPD，這樣不僅會大幅度增加企業(yè)成本，而且SPD的故障率也會導(dǎo)致整套儀表自控系統(tǒng)的維修率大大增加。因此，化工企業(yè)通常僅在一些相對重要的場合使用浪涌保護器，不能全面較好地解決化工儀表自控系統(tǒng)的防雷問題。

1.1 直接雷擊

所謂直接雷擊就是在雷電活動區(qū)內(nèi)，雷電直接通過人體、建筑物、設(shè)備等對地放電所產(chǎn)生的電擊現(xiàn)象。在化工企業(yè)中，雷電直接擊中現(xiàn)場儀器儀表設(shè)備，進而造成儀器儀表傳感器或變送器的電子線路損壞。

1.2 感應(yīng)雷擊

所謂感應(yīng)雷擊就是雷電并未擊中儀表自控系統(tǒng)中的任何部分，雷擊導(dǎo)線或儀器儀表設(shè)備附近時，由于靜電和電磁感應(yīng)而在導(dǎo)線或儀器儀表設(shè)備上形成過電壓的現(xiàn)象。

1）靜電感應(yīng)。雷電來臨時，由于雷云電場的作用，地面金屬類線纜導(dǎo)體被感應(yīng)出大量電荷，接閃后大量電荷產(chǎn)生放電，由于瞬間電量極大，形成很高的電位差，放電電流若進入現(xiàn)場儀器儀表等設(shè)備，便會造成設(shè)備損壞。

2）電磁感應(yīng)脈沖輻射。當(dāng)接閃器發(fā)生接閃時，巨大的雷電流將瞬間流過接地引下線，并在引下線周圍產(chǎn)生巨大的瞬變電磁場，并向外輻射電磁波，處在該電磁場中的金屬類導(dǎo)體就會感應(yīng)出較大的感應(yīng)電動勢，如果有回路便會在回路中產(chǎn)生較大的浪涌電流，從而造成儀器儀表設(shè)備故障，導(dǎo)致儀表自控系統(tǒng)失靈。

1.3 電涌引入

直接雷擊或感應(yīng)雷電都可以使金屬類導(dǎo)線及金屬管道產(chǎn)生過電壓，過電壓涌入可以發(fā)生在供電回路或信號回路中，造成供電回路供電質(zhì)量下降，信號回路中芯線與芯線及屏蔽層之間產(chǎn)生橫、縱向過電壓，并通過耦合干擾和破壞信號回路中所連接的儀器儀表設(shè)備。

1.4 反擊

接閃器接閃時，巨大的瞬間過電流將通過引下線引入接地極，雷電流在釋放過程中，連接導(dǎo)體上產(chǎn)生的高電壓將對其周圍其它物體產(chǎn)生電擊，這種現(xiàn)象稱為雷電反擊。由于大地具有一定的電阻，雷電流向大地釋放必然會有一個過程，在該釋放過程中，局部地電位將瞬間提高，如果兩套接地極系統(tǒng)沒有設(shè)計足夠的安全距離，接地極之間就會產(chǎn)生極高電位差，形成巨大的瞬間反擊電流，直接對儀表自動化控制系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的破壞。

2 儀表自控系統(tǒng)的防雷措施

2.1 接閃

接閃設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)儀表自控系統(tǒng)控制室及現(xiàn)場工藝裝置的結(jié)構(gòu)形式等各種相關(guān)因素，綜合全面地考慮防雷措施。例如現(xiàn)場儀表自控系統(tǒng)的防雷，應(yīng)和周圍的工藝裝置等防雷措施一起設(shè)計，并根據(jù)實際情況考慮采用的接閃器類別（避雷針、避雷帶或避雷網(wǎng)）。

2.2 均壓

為防止瞬態(tài)電流流經(jīng)導(dǎo)體與其周圍金屬物體之間的反擊放電，導(dǎo)致儀器儀表設(shè)備的損壞，干擾儀表自控系統(tǒng)的正常運行，應(yīng)當(dāng)將穿越防雷保護區(qū)的儀表自控系統(tǒng)控制室的地面墻面、儀器儀表、設(shè)備管線、工藝裝置等進行等電位連接，并且與儀表自控系統(tǒng)控制室的防雷接地系統(tǒng)相連接，以形成比較完善的等電位連接。

2.3 接地

接地是雷電防護措施中的重要程序，要全面考慮各種因素，使接地系統(tǒng)能夠保證電勢陡度最小，盡可能達到均衡電位的效果。對于浮地、多點接地等防雷接地措施，如遇較強雷擊時，由于儀表或DCS設(shè)備外殼保護接地，儀表或DCS設(shè)備外殼與其內(nèi)部電路之間將會形成較高的電位差，將兩者的絕緣間隙擊穿，對電路造成破壞。因此，可以將保護接地與工作接地連接起來，并接入全廠防雷接地系統(tǒng)。

2.4 屏蔽

由于化工儀表自動化控制系統(tǒng)采用大量的半導(dǎo)體元器件、集成電路以及電力、信號傳輸電纜，因此對現(xiàn)場儀器儀表及控制室的屏蔽，不僅要考慮直接雷擊的危害，還應(yīng)考慮雷擊所產(chǎn)生的電磁脈沖輻射的影響。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，也可以在供電或信號電纜上感應(yīng)出瞬態(tài)過電壓波，沿電纜回路侵入儀器儀表設(shè)備，從而對儀器儀表設(shè)備造成破壞。通過使用屏蔽體進行衰減或阻擋電磁脈沖的能量傳播是一種有效的防護措施。儀表自動化控制系統(tǒng)的防雷屏蔽主要包括以下3個方面。

1）現(xiàn)場儀表屏蔽

現(xiàn)場儀表采用金屬材質(zhì)的儀表保護箱實現(xiàn)防雷屏蔽，儀表保護箱接入全廠防雷接地系統(tǒng)。

2）控制室屏蔽

儀表自動化控制系統(tǒng)的控制室對雷電所產(chǎn)生的電磁脈沖具有較強的敏感度。因此，應(yīng)對儀表控制室墻壁中的鋼筋結(jié)構(gòu)交點進行電氣連接，構(gòu)成屏蔽籠，并且在室內(nèi)四周沿墻壁再做一圈保護接地環(huán)，同時接地環(huán)與屏蔽籠應(yīng)進行有效的電氣連接，最后接入全廠防雷接地系統(tǒng)。

3）信號回路和電源回路屏蔽

為防止雷電電磁脈沖在信號回路或供電回路上感應(yīng)出瞬態(tài)過電壓，所有的供電回路及信號回路都應(yīng)采用具有金屬屏蔽層的電纜。同時由于屏蔽層多點接地將會在電纜的纜芯與護套間產(chǎn)生低頻干擾，因此屏蔽層沿線只能采取單點接地。為此，供電回路及信號回路應(yīng)采用雙屏蔽電纜，其內(nèi)屏蔽層可以采用單點接地，外屏蔽層可以采用多點接地。

2.5 分流

由于發(fā)生接閃時，雷電流主要通過分流和感應(yīng)兩種方式釋放，因此通過設(shè)置合理數(shù)量的防雷引下線，使分流后的雷電流變小，從而將發(fā)生雷電反擊和感應(yīng)的影響范圍降至最低。

2.6 綜合布線

儀表自動化控制系統(tǒng)控制室與現(xiàn)場工藝裝置之間的信號電纜、供電電纜以及電子通訊線應(yīng)該合理布局，設(shè)計合理間距，減小各種電纜之間的耦合程度。根據(jù)“趨膚效應(yīng)”，當(dāng)電流通過導(dǎo)體時，愈靠近導(dǎo)體表面，電流密度愈大。因此，綜合布線時應(yīng)當(dāng)將信號電纜的屏蔽層做好接地，感應(yīng)電荷就會被及時導(dǎo)入大地，從而保證了信號傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?/p>

TU 895；TQ 086.1

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1005－8370（2012）01－21－02

2011－10－20