浅谈石油化工装置设计中仪表系统防雷

浅谈石油化工装置设计中仪表系统防雷

林宏涛梁家宝

江苏中圣高科技产业有限公司江苏省南京市210009

摘要：雷电对自动化仪表系统的危害，分析了雷电侵入自动化仪表系统的途径，从接闪杆、屏蔽、等电位连接与接地、电涌保护等方面提出自动化仪表系统防雷的主要措施，以防止或减少仪表系统受雷电的损害，保证系统运行安全。

关键词：自动化仪表系统；防雷；接闪；屏蔽；接地；电涌。

引言

虽然石化企业经过多年的防雷治理，取得了很大效果，但是雷击还是时有发生。雷电袭击的对象本身的直接损失并不太大，但损坏仪表，产生联锁误动作，导致装置停车，甚至导致全厂停车。由此产生的间接经济损失和影响却是难以估计的，解决自动化仪表系统防雷问题，要从“源头”入手，即从设计、方案入手，要充分考虑各种影响因素，从电源、信号、地电位波动等多方面隔离可能的雷害源，才能从根本上减少或杜绝事故的发生。

1、雷电侵入自动化仪表系统的途径分析

雷击对自动化仪表系统的破坏可分成3种情况：

（1）雷电直击。雷云放电直接通过建筑物或地面设备，强大的雷电流经过这些物体入地，在瞬间产生很大的机械振动力和高温高热使物体遭到破坏。当雷电流通过物体时，必然有电阻或电感存在，所以就产生很大的电压降和感应电压，使绝缘破坏、产生火花、引起燃烧、爆炸等。

（2）雷电感应。金属架构、防雷装置接闪时，在引下线内会通过强大的瞬间电流，对周围一定范围内电费产生电磁感应；或者，闪电在云层与云层之间发生放电而瞬变电磁场，强大的瞬变电磁场通过电阻耦合、电容耦合和电感耦合在电子设备、线路上感应出很高的瞬态过电压，通过管道、电缆就可能将高电位引入仪表系统，造成干扰和破坏。

（3）雷电反击。由于控制系统采用单独接地，当变送器附近的设备或附近的设备或建筑物遭雷击或雷电击中具有防雷装置的建筑物或设施时，由于地电位的浮动，可以使变送器的控制系统之间或DCS机柜外壳与柜内电子设备之间地电位差达几千甚至几万伏，足以将仪表、电子设备击穿。

2、石油化工装置设计中仪表系统防雷主要措施

2.1接闪

接闪杆的主要机理是吸引雷电，经针体、引下线入地，以保护接闪杆滚球半径内的设备不遭受直接雷击而损坏。但直击雷又是防雷中必须考虑的环节，因而综合考虑应采取如下措施。

配电房、办公楼、泵房、阀室、控制室等建筑物采取在顶部敷设避雷网格的方式做直击雷防护，较接闪杆降低接闪高度，降低接闪的强度和概率。同时，还可以起到对建筑物内部设备空间屏蔽的作用，配电房、办公楼、泵房、阀室等按第二类防雷建筑物考虑。

根据储罐等构筑物材质和其内部物料的性质、温度、压力等进行分析，当生产装置自身对雷击有防护能力时，可以用自身当接闪器。如果内部为易燃物质或操作温度大于其闪点的可燃物质，当塔、罐的顶部钢或铁板厚度大于４mm、铜板大于５mm、铝板大于7mm时，可以用其自身当接闪杆，不再装设独立接闪杆。

处于高处、空旷地带的仪表，也容易遭受雷击。尽量不要把仪表安装在高点，如果避免不了，仪表安装仪表箱，仪表箱必须有良好的接地，空旷地带的仪表也需如此。如果该仪表比较关键，可以考虑安装避雷针。

2.2屏蔽

仪表系统的防雷屏蔽主要包括3方面：

（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。将房屋墙壁中的结构钢筋交叉点处连接，并与金属门框焊接，构成一个带门开口的屏蔽笼，在室内沿墙壁四周在做一圈保护接地环（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）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。为了防止由多点接地所产生的低额干扰，可将电缆敷设在钢制电缆槽盒、金属管内或采用双屏蔽电缆，将电缆槽盒、金属管或双屏蔽电缆的外屏蔽层采取多点接地，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。

2.3等电位连接与接地

当雷击发生时，在雷电瞬态电流所经过的路径上将产生瞬态电位升高，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，就会导致对金属物体的击穿放电，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，可将所有现场仪表的金属外壳、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，形成一个电器上连续的整体，使他们之间彼此电位相同。在等电位连接的前提下，还要考虑接地电阻的大小，因为当有电流流过接地电阻时，其上将产生电压。一般要求接地电阻小于4Ω。

2.4电涌保护

仅有接闪器、屏蔽手段、等电位连接、接地装置，并不能避免雷电波沿线路的入侵，也不能在实际可能的低接地电阻下防止反击，为了保护电子设备还有需电涌保护。电涌保护为外部防雷保护为前提，电涌保护也应与内部防雷保护其它措施（等电位连接，屏蔽）密切配合。

电涌保护主要是保护电子设备免受雷电电涌的危害，也兼而使电子设备免受大部分操作电涌的危害，电涌保护器的作用是把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。电涌保护器的类型和结构按不同的用途有所不同，但它至少应包含一个非线性电压限制元件。用于电涌保护器的基本元器件有：放电间隙、充气放电管、压敏电阻、抑制二极管和扼流线圈等。

3、结语

仪表防雷工作，力争在最大限度内将各种雷击的危害消除掉，大大减少或避免雷击对设备的危害，是一个系统工程。在实际应用中，需多专业配合共同完成，针对雷电对仪表设备损害途径，有的放矢地进行相应防护，忽视某一个环节，就有可能收效甚微。只有全面利用现有的防雷技术，才能抑制和减少雷电的危害。

参考文献：

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