化工裝置儀表自控系統(tǒng)的防雷措施

周 桐

（山東華魯恒升化工股份有限公司，山東德州 253024）

0 引言

現(xiàn)階段，儀器儀表的自動(dòng)控制技術(shù)在化工領(lǐng)域得到廣泛深入的應(yīng)用，但其運(yùn)行過程中對(duì)雷電自然災(zāi)害的防護(hù)能力仍存在較大缺陷，技術(shù)研發(fā)具有較大上升空間?；て髽I(yè)、設(shè)計(jì)部門及制造商應(yīng)當(dāng)加快對(duì)儀表及控制系統(tǒng)抗雷電干擾方案的研究步伐與力度，基于各設(shè)備的工作特點(diǎn)、雷電對(duì)其影響的原理及特征，進(jìn)行多次科學(xué)試驗(yàn)，力求研發(fā)出化工儀表及控制系統(tǒng)對(duì)防雷效果顯著的設(shè)備或技術(shù)方案。

1 雷電對(duì)化工裝置儀表自控系統(tǒng)的危害

通常來說，化工裝置遭受雷擊的頻率是相當(dāng)高的，尤其是雷暴日較多的沿海地區(qū)，雷電對(duì)儀表及控制系統(tǒng)造成不同程度的損害，嚴(yán)重影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。目前，主要防雷措施為分流法，即在現(xiàn)場(chǎng)儀表及控制系統(tǒng)的信號(hào)回路兩端安裝浪涌保護(hù)器（SPD），可對(duì)過電壓與過電流起到即時(shí)限制作用[1]?？紤]到成本因素，大多數(shù)單位只對(duì)部分關(guān)鍵控制回路的現(xiàn)場(chǎng)儀表端和控制系統(tǒng)側(cè)設(shè)置了SPD。如果每個(gè)I/O 通道都裝置有SPD，在一定程度上會(huì)增加經(jīng)濟(jì)成本，也會(huì)相對(duì)提升風(fēng)險(xiǎn)率，SPD 的故障增加了整套儀表自控系統(tǒng)的維修率。因此，化工企業(yè)通常只會(huì)在相對(duì)重要部位安置浪涌保護(hù)器，這樣無(wú)法全面有效改善防雷問題。

1.1 雷擊直接侵入

儀表系統(tǒng)所遭受雷電的直接襲擊，主要是擊中設(shè)備自身、運(yùn)行系統(tǒng)以及各種連接管路，繼而破壞傳感器的模件、變送器電子線路板等部件，致使系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行[2]。同時(shí)，雷電流通過將儀表支架作為傳播載體，瞬間導(dǎo)向大地，產(chǎn)生強(qiáng)力的感應(yīng)磁場(chǎng)，對(duì)傳輸系統(tǒng)信號(hào)的線路造成癱瘓性破壞，再將電流耦合到控制室的各個(gè)電子設(shè)備，例如DCS 設(shè)備，對(duì)設(shè)備造成不同程度和種類的破壞。

1.2 感應(yīng)雷擊

感應(yīng)雷擊，即雷電未直接擊中儀表自控系統(tǒng)的任一部分，而是雷擊導(dǎo)線或是在儀器儀表設(shè)備周圍，因靜電與電磁感應(yīng)在導(dǎo)線或儀器儀表設(shè)備上造成過電壓。主要表現(xiàn)形式分為2 種。

1.2.1 靜電感應(yīng)

靜電感應(yīng)會(huì)對(duì)裝置儀表自控系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)破壞，主要是雷電發(fā)生時(shí)，由于雷云雨電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生一定的作用，金屬類線纜上面會(huì)有大量電荷依附，隨著大量電荷的累積，會(huì)造成化工裝置儀表自控系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生放電現(xiàn)象。若電荷與化工裝置儀表自控系統(tǒng)的電量的電位差較大時(shí)，因?yàn)殪o電感應(yīng)而產(chǎn)生電荷，會(huì)進(jìn)入到相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備，然后會(huì)對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)造成損害，導(dǎo)致運(yùn)行系統(tǒng)癱瘓，嚴(yán)重時(shí)也會(huì)造成死亡性破壞。

1.2.2 電磁感應(yīng)脈沖輻射

雷電流對(duì)周圍空間地形的電能強(qiáng)力且持續(xù)性輸出影響后形成強(qiáng)力電磁場(chǎng)，而后利用電磁場(chǎng)向周圍產(chǎn)生電磁波輻射，形成電磁脈沖輻射。在此情形下，設(shè)備控制室同樣也會(huì)產(chǎn)生不可避免的耦合效應(yīng)，其危害范圍主要波及到儀表、儀器、計(jì)算機(jī)以及各設(shè)備的基礎(chǔ)導(dǎo)體等，所產(chǎn)生的感應(yīng)電流或電勢(shì)對(duì)設(shè)備造成不同程度的嚴(yán)重破壞。

1.2.3 地電位反擊

接閃器在電流接閃時(shí)，重大的即時(shí)過電流將經(jīng)過引下線引入接地極。雷電流在其釋放過程中，通過連接導(dǎo)體上產(chǎn)生的高電壓對(duì)其周圍所有物體發(fā)生電擊活動(dòng)，該現(xiàn)象即稱為雷電反擊。因大地具有一定程度的電阻效能，雷電流在向大地釋放過程中，某局部電位會(huì)迅速且持續(xù)性增加。若兩套接地極系統(tǒng)的安全距離設(shè)計(jì)不規(guī)范，接地極之間則會(huì)產(chǎn)生極高的電位差。繼而形成巨大的即時(shí)反擊電流，直接影響儀表自動(dòng)化控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，致使其癱瘓甚至更嚴(yán)重的破壞。

2 儀表自控系統(tǒng)的防雷措施

2.1 接閃處理

設(shè)計(jì)接閃系統(tǒng)時(shí)，基本來說，必須根據(jù)工藝裝置、控制室、機(jī)柜室等建筑的結(jié)構(gòu)型式等綜合因素，設(shè)計(jì)合理、全面的防雷措施。例如對(duì)現(xiàn)場(chǎng)某個(gè)儀表自控系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)其周圍裝置的工藝、結(jié)構(gòu)進(jìn)行配套設(shè)計(jì)，防止耦合效應(yīng)或形成極高的電位差等。

2.2 等電位連接

雷電產(chǎn)生電流的即時(shí)電壓非常高，同時(shí)連帶到周圍金屬物質(zhì)再次加劇高壓，期間會(huì)衍生擊穿放電的擊穿電壓，對(duì)儀表設(shè)備造成直接性破壞。同時(shí)電磁場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生不同程度的波動(dòng)，干擾儀表總控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，為確保儀表裝置與各設(shè)備之間水平電位相同，首先是嚴(yán)格對(duì)照處理裝置區(qū)內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施，將各設(shè)施聯(lián)合接入防雷接地網(wǎng)，促使雷電產(chǎn)生電流時(shí)各設(shè)備間承載的負(fù)荷趨于均勻，可有效消減雷擊對(duì)各設(shè)備的損壞程度。

2.3 接地系統(tǒng)的設(shè)置

現(xiàn)階段化工儀表系統(tǒng)的防雷接地措施主要包括浮地接地和多點(diǎn)接地。若通信系統(tǒng)的“工作區(qū)域”、“保護(hù)區(qū)域”與“防雷區(qū)域”是分散安裝，未聯(lián)合開展而自成系統(tǒng)，即為“分設(shè)接地系統(tǒng)”。此類接地方式突出的優(yōu)勢(shì)在于可施展就近接地，接地線的附著電感較小。但是如果在保護(hù)區(qū)系統(tǒng)內(nèi)侵入了較強(qiáng)力的雷電波，其高壓同樣也會(huì)損壞電子電路。若三者聯(lián)合設(shè)置，建設(shè)成統(tǒng)一性的接地系統(tǒng)，則是合設(shè)接地系統(tǒng)。合設(shè)接地系統(tǒng)有效消解不同接地點(diǎn)產(chǎn)生不同程度的電位差，當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí)，可有效控制且阻斷不同接地點(diǎn)間產(chǎn)生的放電現(xiàn)象。

2.4 信號(hào)線路的防護(hù)

線路傳輸過程中，雷電衍生雷電波，在其線路上產(chǎn)生的瞬間沖擊感應(yīng)值較強(qiáng)。因此對(duì)于儀表自動(dòng)控制系統(tǒng)，首先是可承受住能量較大的即時(shí)沖擊[3]。絕大部分儀表帶集成電路板，其控制系統(tǒng)由于電子元器件的中心集成化而導(dǎo)致耐壓及其耐過流水平降低。儀表控制系統(tǒng)的回路設(shè)置中，部分電子設(shè)備因其承載較多電壓而損壞電路器件，因此在儀表系統(tǒng)中遭受雷擊較為密集且嚴(yán)重的部分應(yīng)當(dāng)再次施加SPD 設(shè)備。主要措施如下。

（1）現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備的SPD 安裝?，F(xiàn)場(chǎng)安裝過程中，確保SPD處于防爆盒內(nèi)，對(duì)于儀表的保護(hù)裝置及其防爆設(shè)備的設(shè)置必須同步施加進(jìn)等電位保護(hù)。安裝現(xiàn)場(chǎng)各變送器時(shí)，必須采用具有多級(jí)浪涌電壓保護(hù)效能的管形SPD。常見安裝方式如圖1 所示[4]。

圖1 分離安裝在保護(hù)箱中電涌防護(hù)器與被保護(hù)儀表接線

（2）控制室設(shè)備的SPD 安裝?；诂F(xiàn)場(chǎng)安裝SPD 之后，再安裝控制室的SPD。安裝過程中，為確保設(shè)置保護(hù)后的信號(hào)線路能夠防止藕合高壓等不良現(xiàn)象的產(chǎn)生，同樣必須分開進(jìn)線與出線的設(shè)置。接地系統(tǒng)的匯總端必須就近安排于防雷設(shè)備周圍。在控制室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)的設(shè)備，也必須采用具有多級(jí)浪涌電壓保護(hù)功能的SPD 設(shè)備。接線原理如圖2 所示[4]。

圖2 電涌防護(hù)器機(jī)柜內(nèi)的接地基本原理

2.5 屏蔽和保護(hù)措施

化工儀表裝置使用的電纜，普遍情況下都包括了半導(dǎo)體器件、信號(hào)傳遞線路和集成電路。因雷擊的產(chǎn)生出現(xiàn)即時(shí)性電磁脈沖，會(huì)直接連帶輻射到電纜。即時(shí)過電壓波在電源或信號(hào)電路上，也能同時(shí)被感應(yīng)和監(jiān)測(cè)到，接著再通過線路進(jìn)入電子設(shè)備，從而影響電子設(shè)備的正常運(yùn)行，引起電子設(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)癱瘓或其他類型損壞。另外，需要搭建可屏蔽設(shè)施，用于屏蔽或降低電磁脈沖產(chǎn)生的能量及電磁脈沖的傳播速度，是防護(hù)優(yōu)化措施中比較顯著的防護(hù)措施之一[5]。儀表系統(tǒng)中的防雷屏蔽措施主要是通過控制室進(jìn)行屏蔽，還有現(xiàn)場(chǎng)儀表的屏蔽，加上信號(hào)線路和電源線路的屏蔽，才能達(dá)到防雷效果。

2.5.1 控制室屏蔽

儀表整體裝置運(yùn)行系統(tǒng)中的重要核心點(diǎn)就是控制室屏蔽，控制室屏蔽對(duì)于雷電所產(chǎn)生的電磁脈沖影響有著極高感應(yīng)，因此，需要提高控制室屏蔽的防護(hù)。儀表控制室的構(gòu)建普遍情況下采用無(wú)窗的封閉形式以及鋼筋交叉點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出屏蔽室，在室內(nèi)沿墻壁的四周設(shè)置安裝一圈保護(hù)接地環(huán)，也叫連接防雷地，才能有效將接地環(huán)與屏蔽室進(jìn)行電氣連接。

2.5.2 現(xiàn)場(chǎng)儀表屏蔽

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備的屏蔽保護(hù)，主要通過使用金屬儀表外罩，以起到防雷屏蔽保護(hù)作用。儀表的外罩務(wù)必要和現(xiàn)場(chǎng)其他類型的金屬設(shè)施，搭建出等電位承接。為防止雷電電磁脈沖在信號(hào)或電源線路上，產(chǎn)生強(qiáng)力較高的即時(shí)過電壓波。所有信號(hào)線一般采用總屏+分屏的結(jié)構(gòu)型式，使用包含金屬屏蔽層的電纜，才能有效進(jìn)行信號(hào)線與電源線的屏蔽保護(hù)。

針對(duì)瞬態(tài)過壓防護(hù)措施，信號(hào)線和電源線的屏蔽層不能在線路的首端和末端同時(shí)接地。因?yàn)樵O(shè)置線路的多點(diǎn)接地后，系統(tǒng)中各個(gè)接地點(diǎn)之間的屏蔽層，會(huì)順著線路產(chǎn)生一定回路。由于低頻干擾電流的電磁場(chǎng)會(huì)通過屏蔽層，在電纜的芯護(hù)套回路中產(chǎn)生部分低頻干擾。因此，屏蔽層只能應(yīng)用單點(diǎn)接地。為避免因?yàn)槎帱c(diǎn)接地而引起的低頻干擾影響，電纜采用金屬穿線管進(jìn)行保護(hù)。這樣，可有效抑制低頻干擾產(chǎn)生的不良影響，繼而增強(qiáng)防雷措施的有效性，提高裝置安全性。

3 化工裝置防雷措施的注意事項(xiàng)

（1）化工裝置儀表自控系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行過程中，需做到“運(yùn)監(jiān)同步”，即運(yùn)行過程中必須同步監(jiān)控，檢查設(shè)備運(yùn)行的各個(gè)重要部位，盡早挖掘潛在風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)解決問題，消除隱患。

（2）必須定期檢測(cè)電涌防護(hù)器的運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)擊穿或失效，應(yīng)及時(shí)更換。

4 結(jié)語(yǔ)

化工裝置儀表自控系統(tǒng)的防雷接地工程較為繁雜，涉及范圍較廣，雖然不同地區(qū)所遭受雷電的危害程度各不相同，但受害概率較高。對(duì)此，應(yīng)該基于自動(dòng)控制系統(tǒng)及儀表設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備防雷、等電位連接、防涌浪保護(hù)器的設(shè)置以及信號(hào)電纜的保護(hù)與屏蔽、接地構(gòu)建等方法來切實(shí)完善防雷工作。將雷擊對(duì)設(shè)備的災(zāi)害程度降低至最低范圍，確?；ぱb置儀表自控系統(tǒng)乃至整個(gè)工藝裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。