化工裝置自動(dòng)化儀表系統(tǒng)防雷的探討

劉銳利，薛曉渝

黎明化工研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，河南洛陽(yáng)，471000

0 引言

我國(guó)是雷電多發(fā)國(guó)家，特別是南部沿海地區(qū)雷電頻次高。儀器儀表中半導(dǎo)體元器件遇到雷電沖擊，造成意外電壓瞬變和浪涌而燒壞或擊穿。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)化儀表的故障有75%是由于瞬變和浪涌造成的。特別是雷暴頻發(fā)地區(qū)，雷擊事件對(duì)化工生產(chǎn)裝置有著較大影響，雷擊造成自動(dòng)化儀表設(shè)備的損壞，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，甚至導(dǎo)致裝置停車和人員傷亡，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，因此自動(dòng)化儀表系統(tǒng)防雷是重要的防災(zāi)減災(zāi)措施[1]。

1 自動(dòng)化儀表系統(tǒng)防雷的重要性

自動(dòng)化儀表設(shè)備是由若干自動(dòng)化元器件構(gòu)成的，自動(dòng)化器件抗雷擊和防靜電的防護(hù)能力很弱。在強(qiáng)雷雨天氣，由于雷擊，自動(dòng)化元器件容易損壞，影響儀表生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定和正常運(yùn)行。若沒(méi)有有效合理的防雷措施，會(huì)影響整改裝置系統(tǒng)的正常運(yùn)行，特別在化工生產(chǎn)裝置中，因雷擊造成系統(tǒng)停車或放料，從而造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。為了進(jìn)一步滿足儀器設(shè)備在雷雨天氣環(huán)境下穩(wěn)定、正常、安全、高效運(yùn)行的要求，儀器系統(tǒng)本身的安全防雷和防靜電技術(shù)越來(lái)越重要[2]。

1.1 雷擊的基本類型

雷擊大致可以分為兩類：直擊雷和感應(yīng)雷。下面對(duì)直擊雷和感應(yīng)雷引起的儀器損壞進(jìn)行分析。

（1）直擊雷是指雷電在空中產(chǎn)生的電荷，能以閃電的形式直接擊中各種人、動(dòng)物、樹(shù)木和大型建筑物。直擊雷的技術(shù)特點(diǎn)之一是能量巨大，中等強(qiáng)度的直擊累電流為10～80kA。其通過(guò)強(qiáng)烈的熱電輻射和電磁機(jī)械效應(yīng)，對(duì)人類和動(dòng)植物造成致命傷亡，破壞建筑物。如果現(xiàn)場(chǎng)儀表、電線/纜和一些其他信號(hào)傳輸線設(shè)備遭到雷擊，在各種極端條件下，幾乎所有的儀表系統(tǒng)都會(huì)因觸電而嚴(yán)重?fù)p壞。

（2）感應(yīng)雷。感應(yīng)雷是指雷電脈沖瞬時(shí)放電而產(chǎn)生的與其對(duì)應(yīng)電壓大小相同的感應(yīng)脈沖電壓，使其靠近物體帶電。感應(yīng)電壓可以通過(guò)其感應(yīng)導(dǎo)體，并迅速傳輸?shù)礁鞣N相關(guān)的電子控制儀表以及相關(guān)的設(shè)備，從而對(duì)各種自動(dòng)化儀表及控制系統(tǒng)造成嚴(yán)重的危害。而對(duì)于組成各個(gè)儀表控制系統(tǒng)的電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，儀表設(shè)備是其中最重要的部分，感應(yīng)裝置造成的主要雷電傷害也是其危害和作用范圍最大的。儀表系統(tǒng)經(jīng)常遭受的大部分雷害也是由感應(yīng)裝置的雷害引起的[3]。

1.2 雷擊是自動(dòng)化儀表設(shè)備等損壞的主要原因

（1）由于強(qiáng)雷電效應(yīng)，儀器周圍電荷分布嚴(yán)重不均勻，靜電感應(yīng)過(guò)電壓造成儀器周圍局部感應(yīng)過(guò)電壓，損壞儀器上的主要電子設(shè)備。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)查，這種試驗(yàn)電壓有時(shí)高達(dá)數(shù)百或數(shù)十千伏，足以輕易損壞接地結(jié)構(gòu)不良地區(qū)的儀表。

（2）由于雷電流形成的感應(yīng)電磁場(chǎng)方向變化強(qiáng)烈，通過(guò)這種電磁感應(yīng)可在導(dǎo)體周圍的導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓，這種感應(yīng)電壓往往可沿帶電導(dǎo)體向前傳導(dǎo)，損壞帶點(diǎn)導(dǎo)體或損壞與之緊密相連的其他相關(guān)電子設(shè)備。

（3）雷擊會(huì)使半導(dǎo)體元器件擊穿，電位分布不是很均勻，造成極高電位值的反擊，損壞電子設(shè)備。

因此，研究和分析自動(dòng)化儀表系統(tǒng)的防雷對(duì)化工裝置的防災(zāi)減災(zāi)具有重要的意義。

2 常見(jiàn)的自動(dòng)化儀表系統(tǒng)防雷方法

2.1 雷電防護(hù)等級(jí)的劃分

自動(dòng)化儀表系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)可用雷電評(píng)估方法（計(jì)算評(píng)估法）分級(jí)，也可以用被保護(hù)系統(tǒng)的重要程度結(jié)合當(dāng)?shù)啬昀妆┤諗?shù)（綜合評(píng)估法）分級(jí)。由于雷擊事件是隨機(jī)的，對(duì)于一個(gè)地方的雷擊次數(shù)和強(qiáng)度沒(méi)有規(guī)律，所以用計(jì)算估計(jì)法對(duì)雷電防護(hù)分級(jí)準(zhǔn)確率很低。目前，一般根據(jù)被保護(hù)對(duì)象的重要程度和當(dāng)?shù)乩妆┤諗?shù)采用綜合評(píng)估法確定儀表系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)，方法參考如下。

（1）由于雷擊造成儀表設(shè)備被損壞產(chǎn)生的事故綜合經(jīng)濟(jì)損失，或者儀表自動(dòng)化系統(tǒng)中控制器或任意1組數(shù)據(jù)模塊損壞可能造成生產(chǎn)裝置事故而產(chǎn)生的綜合經(jīng)濟(jì)損失與被保護(hù)系統(tǒng)的重要程度參考分類見(jiàn)表1。

表1 被保護(hù)系統(tǒng)的重要程度參考分類表

（2）表2中被保護(hù)系統(tǒng)的重要程度與當(dāng)?shù)啬昶骄妆┤盏膶?duì)應(yīng)關(guān)系。裝置所在地的年平均雷暴日應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T的發(fā)布資料確定。

表2 綜合評(píng)估法雷電防護(hù)等級(jí)

根據(jù)要求一級(jí)防護(hù)等級(jí)應(yīng)當(dāng)實(shí)施防雷工程，二級(jí)防護(hù)等級(jí)也適宜實(shí)施儀表防雷工程。

2.2 儀表系統(tǒng)防雷原理和措施

2.2.1 基本原理自動(dòng)化儀表系統(tǒng)防雷的基本原理是通過(guò)對(duì)雷擊產(chǎn)生的雷電流進(jìn)行限流、限壓和限能。利用接地保護(hù)系統(tǒng)將雷電流引入大地，并將殘余電流的電壓限制在小于儀表設(shè)備能夠承受的范圍之內(nèi)，使儀表設(shè)備不受損毀。

2.2.2 化工裝置常見(jiàn)的儀表系統(tǒng)防雷措施

（1）設(shè)置接閃器。化工生產(chǎn)裝置中常見(jiàn)的接閃器有避雷帶、避雷針、避雷線和避雷網(wǎng)等，接閃器與引下線、接地體連接。其作用是雷電擊中它時(shí)，雷電流從接閃器本身通過(guò)引下線、接地體，迅速泄放至大地，從而保護(hù)生產(chǎn)裝置以及一定區(qū)域內(nèi)的設(shè)備。

（2）儀表系統(tǒng)接地。接地系統(tǒng)包括室內(nèi)和室外兩部分。室內(nèi)儀表接地系統(tǒng)包括控制室建筑物本體的防雷接地、防靜電接地以及控制室內(nèi)的自動(dòng)化儀表設(shè)備的保護(hù)接地、工作接地等，這些接地應(yīng)該共用接地裝置。室外儀表接地包括現(xiàn)場(chǎng)儀表、機(jī)柜以及分析小屋等。

（3）設(shè)置電涌保護(hù)器。設(shè)置電涌保護(hù)器是在自動(dòng)化儀表回路中安裝電涌保護(hù)器SPD，起到雷電流分流的作用。儀表設(shè)備與接地線之間并聯(lián)合適SPD，當(dāng)遇到雷擊時(shí)，SPD的電阻突然降到低值，近乎短路狀態(tài)，雷電流就經(jīng)過(guò)SPD分流至大地。由此起到保護(hù)儀表設(shè)備的作用[4]。

（4）信號(hào)電纜和儀表設(shè)備的屏蔽。設(shè)置屏蔽層能有效消除雷電電磁脈沖輻射，從而保護(hù)自動(dòng)化儀表設(shè)備。化工生產(chǎn)裝置中主要是選用屏蔽電纜/線、選用金屬電纜保護(hù)管或者利用金屬網(wǎng)將儀表設(shè)備包圍起來(lái)，形成“法拉第籠”來(lái)避免雷電電磁脈沖輻射對(duì)儀表設(shè)備的影響[5]。

（5）系統(tǒng)化防雷方法。自動(dòng)化儀表系統(tǒng)的防雷是一個(gè)很復(fù)雜的工程，不僅要考慮外部環(huán)境的影響，還要結(jié)合儀表設(shè)備的特點(diǎn)，采用相應(yīng)的防雷電措施。系統(tǒng)化防雷包括外部防雷和內(nèi)部防雷兩個(gè)方面。外部防雷包括安裝避雷針，現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)置浪涌保護(hù)器，采用屏蔽電纜/線等措施。內(nèi)部防雷主要是控制室內(nèi)安裝網(wǎng)狀接地排、儀表機(jī)柜接地、進(jìn)線柜安裝浪涌保護(hù)器等措施。采用系統(tǒng)的方法，如接閃、屏蔽、均壓、分流、接地，將雷擊危害程度減少到最低限度[6]。

2.3 化工裝置自動(dòng)化儀表系統(tǒng)化防雷措施應(yīng)用實(shí)例

某化工裝置位于廣西壯族自治區(qū)欽州港，地處海邊雷暴頻次高（平均雷暴日96.5d/a）、強(qiáng)度大，現(xiàn)場(chǎng)儀表遭雷擊，控制系統(tǒng)異常故障現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對(duì)儀表控制系統(tǒng)運(yùn)行造成極大影響。解決方案：從主機(jī)、機(jī)柜到現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行系統(tǒng)化防雷技術(shù)。

（1）現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)置浪涌模塊，分支電纜增加內(nèi)屏蔽層。浪涌保護(hù)器如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)置浪涌保護(hù)器

（2）進(jìn)線機(jī)柜增設(shè)浪涌保護(hù)器組塊，外部電纜經(jīng)浪涌保護(hù)后轉(zhuǎn)接。組塊實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 機(jī)柜設(shè)浪涌保護(hù)器組塊

（3）系統(tǒng)主機(jī)及控制柜嚴(yán)格分開(kāi)工作地和保護(hù)地接線，并分別引至總地排。接線圖如圖3所示。

圖3 控制柜工作地和保護(hù)地接線圖

使用效果：裝置已投產(chǎn)一年，未出現(xiàn)一起雷擊現(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

3 對(duì)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)防雷的建議

隨著工廠數(shù)字化的發(fā)展，化工裝置自動(dòng)化儀表設(shè)備使用越來(lái)越廣泛，表現(xiàn)出儀表設(shè)備種類繁多、現(xiàn)場(chǎng)儀表和自控閥分布廣泛、信號(hào)形式多樣、儀表電纜的種類多樣、儀表系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)多規(guī)模大等特點(diǎn)，還有爆炸危險(xiǎn)分區(qū)、有毒有害場(chǎng)所等區(qū)域特點(diǎn)，這都造成了化工裝置自動(dòng)化儀表系統(tǒng)防雷的復(fù)雜[7]。為了充分滿足現(xiàn)代生產(chǎn)活動(dòng)的安全需要，儀表系統(tǒng)的防雷方案一般應(yīng)根據(jù)雷電環(huán)境和安裝儀表的特點(diǎn)，考慮以下三個(gè)因素。

3.1 控制室設(shè)計(jì)及施工

儀表控制室應(yīng)按二類防雷建筑設(shè)置避雷網(wǎng)、接地引下線、環(huán)形接地裝置。保證控制室及周圍良好的接地是雷電流和靜電泄放的前提條件，控制室的綜合接地電阻不應(yīng)大于4歐姆。為保證控制室內(nèi)儀表設(shè)備的工作接地、保護(hù)接地、屏蔽接地、本安接地能就近接至主接地系統(tǒng)，并能消除電位差和地電流干擾，可設(shè)置網(wǎng)型結(jié)構(gòu)接地排并與主接地系統(tǒng)連接，網(wǎng)型結(jié)構(gòu)接地排原理如圖4所示。

圖4 網(wǎng)型結(jié)構(gòu)接地排原理圖

3.2 儀表系統(tǒng)設(shè)備材料選型

根據(jù)系統(tǒng)化防雷思路，儀表進(jìn)線柜設(shè)浪涌保護(hù)器組塊，外部電纜經(jīng)浪涌保護(hù)后轉(zhuǎn)接，現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)置浪涌模塊，儀表電纜要求有內(nèi)屏蔽層。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)儀表安裝

①保證現(xiàn)場(chǎng)儀表與主接地系統(tǒng)有效連接，可以有效避免由于雷電感應(yīng)脈沖的持續(xù)存在或雷電脈沖在儀器接地端的接地而造成地面設(shè)備與儀器設(shè)備之間的電位差[8]。②保證雷電流和接地卸放。安裝儀表時(shí)，盡量避免安裝在建筑物或設(shè)備頂部而成為接閃體，接地線應(yīng)盡可能地短，且為減少線路電抗，接地線應(yīng)采取直線敷設(shè)，不要將多余的電纜環(huán)狀敷設(shè)[9]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著工廠數(shù)字化的發(fā)展，化工裝置自動(dòng)化儀表設(shè)備使用越來(lái)越廣泛，表現(xiàn)出儀表設(shè)備種類繁多、儀表信號(hào)形式多樣、現(xiàn)場(chǎng)儀表和自控閥分布廣泛、儀表電纜的種類數(shù)量多、儀表系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)多規(guī)模大等特點(diǎn)，還有爆炸危險(xiǎn)區(qū)域、有毒有害場(chǎng)所等區(qū)域特點(diǎn)，這都造成了化工裝置自動(dòng)化儀表系統(tǒng)防雷的復(fù)雜。為了充分滿足現(xiàn)代生產(chǎn)活動(dòng)的安全需要，我們要進(jìn)一步認(rèn)真收集先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，推廣實(shí)用新技術(shù)，加強(qiáng)防雷、防靜電在化工裝置上的應(yīng)用，確保化工生產(chǎn)活動(dòng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。