關于化工裝置儀表自控系統防雷的論述

欒家斌

（大連化工研究設計院，遼寧大連 116023）

關于化工裝置儀表自控系統防雷的論述

欒家斌

（大連化工研究設計院，遼寧大連 116023）

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

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在化工行業中得到了廣泛應用，儀表自控系統正向智能化、網絡化的方向迅猛發展，而由于儀器儀表等設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所構成的威脅日益增大，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備，威脅儀表自控系統的正常工作和安全運行。因此，在現代化工儀表自控系統中合理的防范雷電變得尤為重要。

1 雷電對儀表自控系統的危害和影響

化工企業常常因為遭受雷擊，造成儀表自動化控制系統癱瘓，使企業蒙受經濟損失。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系統控制室的單通道SPD只能對DCS系統相對應的卡件通道提供保護；安裝在現場信號變送通道的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成本，而且SPD的故障率也會導致整套儀表自控系統的維修率大大增加。因此，化工企業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內，雷電直接通過人體、建筑物、設備等對地放電所產生的電擊現象。在化工企業中，雷電直接擊中現場儀器儀表設備，進而造成儀器儀表傳感器或變送器的電子線路損壞。

1.2 感應雷擊

所謂感應雷擊就是雷電并未擊中儀表自控系統中的任何部分，雷擊導線或儀器儀表設備附近時，由于靜電和電磁感應而在導線或儀器儀表設備上形成過電壓的現象。

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

2）電磁感應脈沖輻射。當接閃器發生接閃時，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體就會感應出較大的感應電動勢，如果有回路便會在回路中產生較大的浪涌電流，從而造成儀器儀表設備故障，導致儀表自控系統失靈。

1.3 電涌引入

直接雷擊或感應雷電都可以使金屬類導線及金屬管道產生過電壓，過電壓涌入可以發生在供電回路或信號回路中，造成供電回路供電質量下降，信號回路中芯線與芯線及屏蔽層之間產生橫、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，連接導體上產生的高電壓將對其周圍其它物體產生電擊，這種現象稱為雷電反擊。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沒有設計足夠的安全距離，接地極之間就會產生極高電位差，形成巨大的瞬間反擊電流，直接對儀表自動化控制系統產生巨大的破壞。

2 儀表自控系統的防雷措施

2.1 接閃

接閃設計時，應根據儀表自控系統控制室及現場工藝裝置的結構形式等各種相關因素，綜合全面地考慮防雷措施。例如現場儀表自控系統的防雷，應和周圍的工藝裝置等防雷措施一起設計，并根據實際情況考慮采用的接閃器類別（避雷針、避雷帶或避雷網）。

2.2 均壓

為防止瞬態電流流經導體與其周圍金屬物體之間的反擊放電，導致儀器儀表設備的損壞，干擾儀表自控系統的正常運行，應當將穿越防雷保護區的儀表自控系統控制室的地面墻面、儀器儀表、設備管線、工藝裝置等進行等電位連接，并且與儀表自控系統控制室的防雷接地系統相連接，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設備外殼保護接地，儀表或DCS設備外殼與其內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。

2.4 屏蔽

由于化工儀表自動化控制系統采用大量的半導體元器件、集成電路以及電力、信號傳輸電纜，因此對現場儀器儀表及控制室的屏蔽，不僅要考慮直接雷擊的危害，還應考慮雷擊所產生的電磁脈沖輻射的影響。雷擊產生的瞬態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出瞬態過電壓波，沿電纜回路侵入儀器儀表設備，從而對儀器儀表設備造成破壞。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的防雷屏蔽主要包括以下3個方面。

1）現場儀表屏蔽

現場儀表采用金屬材質的儀表保護箱實現防雷屏蔽，儀表保護箱接入全廠防雷接地系統。

2）控制室屏蔽

儀表自動化控制系統的控制室對雷電所產生的電磁脈沖具有較強的敏感度。因此，應對儀表控制室墻壁中的鋼筋結構交點進行電氣連接，構成屏蔽籠，并且在室內四周沿墻壁再做一圈保護接地環，同時接地環與屏蔽籠應進行有效的電氣連接，最后接入全廠防雷接地系統。

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出瞬態過電壓，所有的供電回路及信號回路都應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采用雙屏蔽電纜，其內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

由于發生接閃時，雷電流主要通過分流和感應兩種方式釋放，因此通過設置合理數量的防雷引下線，使分流后的雷電流變小，從而將發生雷電反擊和感應的影響范圍降至最低。

2.6 綜合布線

儀表自動化控制系統控制室與現場工藝裝置之間的信號電纜、供電電纜以及電子通訊線應該合理布局，設計合理間距，減小各種電纜之間的耦合程度。根據“趨膚效應”，當電流通過導體時，愈靠近導體表面，電流密度愈大。因此，綜合布線時應當將信號電纜的屏蔽層做好接地，感應電荷就會被及時導入大地，從而保證了信號傳輸的可靠性和安全性。

TU 895；TQ 086.1

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1005－8370（2012）01－21－02

2011－10－20