石油化工儀表系統(tǒng)的接地設(shè)計(jì)

安詩(shī)玉

(中國(guó)成達(dá)工程有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

石油化工設(shè)備的儀表系統(tǒng)是保證石油化工正常生產(chǎn)的重要系統(tǒng)。但是我國(guó)是一個(gè)多雷電災(zāi)害的國(guó)家，雷電災(zāi)害對(duì)我國(guó)石油化工企業(yè)設(shè)備的儀表系統(tǒng)造成嚴(yán)重威脅。由于雷電災(zāi)害的頻繁發(fā)生，許多石油化工工廠的儀表系統(tǒng)受到雷電的影響。部分地區(qū)由于雷電的頻發(fā)，對(duì)石油化工工廠儀器儀表系統(tǒng)造成破壞，導(dǎo)致停工停產(chǎn)的事故時(shí)有發(fā)生。當(dāng)儀表系統(tǒng)遭到雷擊受損時(shí)，直接造成儀表系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)萬元至數(shù)十萬元，停產(chǎn)減產(chǎn)造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)百萬元，有的閃電災(zāi)害甚至?xí)o人的生命安全帶來威脅。隨著科技的發(fā)展，儀表系統(tǒng)逐漸趨于電子化、集成化，加上計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等成為控制儀表系統(tǒng)的重要組成部分，使得儀表系統(tǒng)對(duì)雷電災(zāi)害的敏感度飆升，極易受到雷電災(zāi)害帶來的破壞。雷擊事件遍布我國(guó)各地，嚴(yán)重威脅我國(guó)石油化工廠的儀表系統(tǒng)，部分風(fēng)雨肆虐地區(qū)的工廠儀器系統(tǒng)甚至被閃電直接破壞。儀表系統(tǒng)的防雷技術(shù)成為防止石油化工企業(yè)遭受災(zāi)害的必備舉措。

1 雷電的危害形式及防護(hù)

雷電對(duì)周圍物體造成損害的形式眾多，其主要類型有直接作用形式的雷電，例如直擊雷；間接作用形式的雷電，例如雷電對(duì)電磁場(chǎng)的干擾以及雷電產(chǎn)生的靜電感應(yīng)。

在石油化工行業(yè)的儀表系統(tǒng)中，通常使用的模擬信號(hào)只能保持在較低值，因此雷擊事件發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的數(shù)百甚至上千伏的電壓對(duì)于儀表系統(tǒng)的模擬信號(hào)產(chǎn)生巨大的威脅，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過石油化工行業(yè)的儀表系統(tǒng)能夠承受的電壓極限值。

1.1 直擊雷

由于帶電的云霧和周圍的大地以及大地上的建筑物等之間存在一定的距離，因此直擊雷在該空間內(nèi)容易產(chǎn)生快速放電，從而引發(fā)劇烈的電磁電熱效應(yīng)。雷對(duì)其周圍的建筑物和電子產(chǎn)品甚至是建筑物內(nèi)人員產(chǎn)生巨大損害，甚至引起物體爆炸、電氣絕緣損傷和電線熔斷。為保證石油化工裝置的儀表系統(tǒng)的安全運(yùn)行，應(yīng)選擇抗干擾度高的儀器并設(shè)置正確的接地方式。控制系統(tǒng)通常被安置在石油化工廠的某一獨(dú)立建筑的控制室內(nèi)。該建筑主要根據(jù)第三種防雷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)，屋頂防雷網(wǎng)通過引下線與防雷接地網(wǎng)相連[1]。同時(shí)，如果能夠使石油化工設(shè)備中的儀表系統(tǒng)與接地網(wǎng)實(shí)現(xiàn)等電位連接，不僅能拉大防雷接地與儀表系統(tǒng)之間的絕緣距離，而且能夠使石油化工設(shè)備實(shí)現(xiàn)等電位連接。

1.2 電磁場(chǎng)干擾及靜電感應(yīng)

當(dāng)雷云經(jīng)過控制室時(shí)，雷電在發(fā)生時(shí)會(huì)伴隨著巨量的電流經(jīng)接地引線流入大地。當(dāng)周圍存在一定的電子設(shè)備，例如電源、信號(hào)光纜等，則會(huì)對(duì)其產(chǎn)生電磁感應(yīng)并使控制系統(tǒng)受到雷電的破壞。尤其當(dāng)電子設(shè)備控制室距離雷電較近時(shí)，電纜或其他電子設(shè)備上感應(yīng)產(chǎn)生的高電位會(huì)直接作用到儀表系統(tǒng)。雷云在途經(jīng)控制室的時(shí)候，其所帶電荷能夠使控制室周圍感應(yīng)出相反的電荷，因此當(dāng)雷云消失后，如果不對(duì)控制室周圍的電荷進(jìn)行引導(dǎo)，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)控制室周圍的局部高電位，從而破壞控制室內(nèi)的電氣系統(tǒng)。為了避免電磁干擾和靜電感應(yīng)的產(chǎn)生，可采取將控制室內(nèi)各金屬裝置與防雷裝置連接的方法，以實(shí)現(xiàn)防雷的目的。

2 接地分類

根據(jù)作用的不同，石油化工行業(yè)儀表自控系統(tǒng)的接地分為安全接地和工作接地兩種。為有效保證人身安全和儀表系統(tǒng)的安全，安全接地是儀表系統(tǒng)必不可少的措施。安全接地分為以下幾種類型：保護(hù)接地、防靜電接地以及防雷接地。工作接地主要分為回路接地、屏蔽接地以及本安接地，主要用來保證儀表系統(tǒng)工作的正常進(jìn)行。

2.1 安全接地

保護(hù)接地通常采用將儀表系統(tǒng)非帶電金屬結(jié)構(gòu)與大地直接相連的方式來設(shè)置。如果儀表系統(tǒng)發(fā)生了故障，通常會(huì)使未帶電的金屬部件增加承受危險(xiǎn)電壓的可能。保護(hù)地線可以迅速將這些危險(xiǎn)電壓引導(dǎo)到地面上，避免造成對(duì)電氣設(shè)備的電擊和人員的損傷。另外，保護(hù)接地可以起到防止靜電積累的作用[2]。防靜電接地主要用來保證儀表系統(tǒng)上產(chǎn)生的感應(yīng)靜電能夠通過接地線流入大地，從而避免靜電電流對(duì)儀表系統(tǒng)以及周圍其他設(shè)備甚至工作人員的破壞和傷害。防雷接地主要有兩種形式，其中一種為外部接地，主要由電氣專業(yè)人員來進(jìn)行安裝調(diào)試。

2.2 工作接地

回路接地通常被使用在自動(dòng)化或其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。在石油化工行業(yè)的儀表系統(tǒng)中，工作接地需要將非隔離信號(hào)統(tǒng)一成一個(gè)信號(hào)點(diǎn)并設(shè)置直流電源公共端來進(jìn)行接地。

屏蔽接地主要用來消除電磁干擾。屏蔽接地在設(shè)置時(shí)通常采用將電纜的屏蔽層、排擾線、儀表的屏蔽接地端子共同接地的方式來實(shí)現(xiàn)。屏蔽接地的另一種形式是使儀表系統(tǒng)所在控制室建筑的鋼筋等金屬裝置連接形成屏蔽網(wǎng)[3]。

本安接地一般由兩部分組成，分別是本安儀表和安全柵欄。安全柵欄一般采用隔離式和齊納式兩種類型來進(jìn)行設(shè)計(jì)。隔離式安全柵欄由于采用了輸入輸出和電源分離的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此其隔離效果較好，可以將系統(tǒng)的接地設(shè)計(jì)省略掉。齊納式安全柵欄為了保證其結(jié)構(gòu)的安全性，通常是采用一系列電子元件來保證輸入量不會(huì)超過閾值。儀表系統(tǒng)在使用齊納式本安接地時(shí)為有效保證電勢(shì)的一致，通常將接地部分連接到一起。

3 儀表接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 基本原理

石油化工儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)的基本原理為限制雷電作用的電流、電壓以及能量。為達(dá)到該目的，應(yīng)采取措施實(shí)現(xiàn)在雷電作用在儀表系統(tǒng)之前將其能量釋放掉，使雷電作用在儀表系統(tǒng)上的電流和電壓減小到儀表系統(tǒng)可承受的范圍內(nèi)，從而保證儀表設(shè)備的安全[4]。

3.2 接地系統(tǒng)的構(gòu)成

接線系統(tǒng)主要由接地導(dǎo)線、接地銅排和接地電極構(gòu)成。接地導(dǎo)線在使用時(shí)，其橫截面積是重要的參考依據(jù)，在不同的連接部位中，由于使用長(zhǎng)度的不同，應(yīng)使用橫截面積不同的接地導(dǎo)線，如表1所示。

表1 接地導(dǎo)線的截面積

3.3 接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

接地系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循確保工作接地和保護(hù)接地連接相同的接地點(diǎn)這一最基本原則，只有這樣才能避免電位差的生產(chǎn)。對(duì)于特殊性的儀表，應(yīng)根據(jù)使用情況以及工作環(huán)境采取一定的隔離措施。特殊性的儀表設(shè)備由于其受工作環(huán)境的影響更大，因此要對(duì)其采取靈活的隔離措施。保護(hù)接地和工作接地在儀表盤或者其他設(shè)備中安裝時(shí)應(yīng)將兩者進(jìn)行有效的隔離。接地銅排主要應(yīng)用在本安接地、屏蔽接地和回路接地中。接地電阻的選擇是影響接地安裝質(zhì)量的重要因素。評(píng)價(jià)接地系統(tǒng)效果的好壞往往根據(jù)接線電阻阻值的大小[5]。

在儀表系統(tǒng)安裝過程中，使用的接地電阻通常可以分為兩類：連接電阻和接地電阻。具體在儀表系統(tǒng)接地時(shí)，應(yīng)充分考慮接地電阻的大小，正確測(cè)量接地電阻值。接地時(shí)經(jīng)常要在接地端和儀表系統(tǒng)的總線板之間接入連接電阻，該電阻大小一般要小于1 Ω。儀表系統(tǒng)內(nèi)部的分支節(jié)點(diǎn)之間要控制接線阻值小于4 Ω[6]。其中接地導(dǎo)線的截面積、長(zhǎng)度以及連接方式都會(huì)對(duì)阻值造成一定的影響，因此務(wù)必對(duì)影響因素加以考慮。

4 結(jié)語

綜上所述，儀表系統(tǒng)在石油化工生產(chǎn)中提供了可靠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)并反映實(shí)際的生產(chǎn)狀況，能夠有效地保證生產(chǎn)裝置高效、穩(wěn)定的運(yùn)行和安全生產(chǎn)。要使儀表系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要為其提供良好的工作環(huán)境，因此防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系著儀表系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)階段重視防雷接地設(shè)計(jì)的同時(shí)，對(duì)一定的偶然事件也要做出預(yù)判，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不定期檢查和維護(hù)，并根據(jù)實(shí)際情況做出正確的處理。