石油化工儀表系統的防雷隱患及防雷技術分析

劉玉豪

（中海油能源發展裝備技術有限公司設計研發中心，天津 300452）

1 雷擊對石油化工生產的影響

1）雷電直擊影響。雷電直擊發生的時間極短，但是造成的影響較為嚴重，能夠直接破壞儀表設備線路，尤其在強大的電流作用下，會導致石油化工儀表傳感器膜件受損，嚴重時整個線路無法工作，使儀表控制系統處于癱瘓狀態。在雷電直擊后，還會引發火災安全事故，嚴重威脅工作人員的人身安全，而且還需要支出較大維修成本，不利于提高企業的經濟效益[1]。

2）雷電感應影響。雷電感應，又稱位置應感雷，它能對石油化工企業的各個生產環節造成不同程度的影響。雷電感應產生的過程中，在地面物體上會分布較為聚集的電荷，特別是呈尖端性狀的一些物體，極易在尖端位置形成聚集分布，當大量的電荷積累到一定程度時，就會發生電荷放電情況。當電荷進入到儀表系統時，就會造成系統出現損壞問題，同時電磁脈沖也會同步出現，引發不同程度的輻射問題。在此過程中，電磁波會向外部發生輻射，有可能干擾儀表系統的正常運行，導致儀表系統內部出現感應電動勢和感應電流等問題，引起儀器設備發生一系列的故障問題。

3）電壓影響。電壓對石油化工所帶來的生產問題，是在雷電直接或者雷電感應的影響下，使金屬管內部發生電壓變化，如果高電位的電壓進入到石油化工的儀表系統時，會使金屬管道和電線線路的電壓發生變化，不僅會使儀表系統受到電磁干擾，還有可能發生損壞現象。

2 石油化工儀表系統的防雷隱患

石油化工可包含PLC 控制系統、DCS 控制系統和FCS 控制系統，這三種控制系統都具有防雷保護功能，而且防雷保護功能和儀表系統的類型、電壓有著極為密切的關系。儀表設備在應用過程中存在著很多不足之處，比如沒有良好的絕緣性能、不具備較強的耐受力等，如果遇到雷雨天氣或者直接遭受雷擊，都會對儀表系統造成一定程度的損壞，而后續產生的后果有可能是無法估量的，輕則只損壞儀表系統，無法正常運行或者需要更換新設備，重則發生安全事故，造成人員傷亡。DSC 控制系統是石油化工儀表系統的主要組成部分，對整個石油生產起著重要的指揮作用，但是DSC 控制系統的構成較為復雜，而且不具備抗干擾性，是一個弱電控制系統，因此遇到雷雨惡劣天氣，就很容易發生雷擊情況，此時儀表設備會受到不同程度的損壞，也有可能在雷電的入侵下，整個DSC 控制系統無法繼續正常工作，極大降低了石油化工的生產效率和質量。在對石油化工進行防雷設計時，大多將設計重點放在供配電系統之上，比較側重于供配電系統的防雷設計，對DCS 控制系統和該系統的儀表設備的二次防雷設計有所忽視，導致在實際運行時DCS 控制系統極易受到雷擊損壞。從目前DCS 控制系統和該系統儀表設備發生雷擊的情況來看，導致雷擊的主要是兩種原因，即地電位反擊和雷電感應，而這兩種情況采用分流法進行防雷預防。在進行雷電防御過程中，可在DCS 控制系統的回路通道上安裝浪涌保護器，這樣不但能保護DCS 控制系統的供電電源和通信回路等，還能保證儀表設備正常發揮信號，但是只能在某個回路通道上安裝浪涌保護器，以此來起到局部保護作用，并不能對整個系統的回路和通道進行保護，因此適用于局部保護儀表系統，對于整個儀表系統沒有較為顯著的防雷保護效果[2]。

3 石油化工儀表系統防雷技術分析

3.1 直擊雷防護措施

在對石油化工進行直擊雷防護措施時，可有效保護該區域的地面建筑物和室內儀器設備，避免它們發生雷擊損壞，因此，直擊雷防護措施是一項較為基礎的防雷手段。此種防雷技術的應用需要在地面的控制室上方選擇合適位置，在此位置安裝避雷裝置或者設計相應的避雷帶。在進行安裝時，需要根據安裝地點的實際情況選擇合適的安裝方式。如果地面控制室是獨立性的建筑物，則需采用設計避雷帶方式，此方式可與地下線路進行連接，將雷電現象帶來的雷電沖擊力傳輸到地面，從而分散雷擊損壞，起到有效的雷電防護作用；如果地面控制室和生產線在同一建筑物中，不具有相對的獨立性，那么需考慮安裝避雷裝置是否會影響到石油化工成產及其生產環境。在避雷裝置和引下線進行連接時，應避免和控制室、生產線的電路連接，盡量防止電路之間出現相互交錯的情況，這樣能夠有效避免發生電磁感應，從而起到直擊雷防護效果[3]。

3.2 等電位連接防護措施

石油化工企業在應用防雷技術時，需要對企業的建筑物和地面控制系統進行有效的防雷預防，而等電位連接技術的應用效果較為明顯。應用此項防雷技術對引下線進行連接時，需要將地面防雷裝置和引下線保持在相等水平的點位上，并在安裝地面防雷裝置時，使前面的電位和引下線連接的底線防雷系統產生相同的電位，此時就可以發揮等電位連接的防雷作用。如果遇到雷雨天氣，等電位連接的防雷設備可產生瞬時電流，此時在防雷技術的作用下，可避免與金屬設備之間出現雷擊穿情況，有效保護了控制系統和儀表設備，使儀表系統不會因為雷擊穿而發生不可挽回的損壞。為了有效防止石油化工的儀表系統出現雷擊穿現象，在連接引下線時，需要仔細檢查所有金屬制品，比如生產設備、控制系統的儀器設備和其他設備中的金屬組件，將這些金屬設備連接成一個整體結構，再通過引下線將其中的電流分散到地下防雷裝置中，從而起到分散防雷保護作用[4]。

3.3 屏蔽防雷措施

石油化工儀表系統較為復雜，其中包含了大量的半導體配件、集成電路及傳遞信號的電路線纜，在雷雨天氣時，如果發生雷擊中現象會產生瞬時電磁沖脈，這些瞬時電磁脈沖可以直接導入到半導體配件中，也有可能在電源線和信號線上發生瞬時的過電壓波，在這兩種情況下，所產生的電磁脈沖和過電壓波都會順延線路輸送到儀表系統和電子設備中，進而影響儀表系統和電子設備的正常運行，使系統發生損壞或者失靈的情況。為了避免儀表系統發生以上情況，可將屏蔽防雷措施應用到系統之中，這樣能夠利用屏蔽體的防雷作用，阻擋或者降低電磁脈沖的能量傳播，從而保證儀表系統的正常運行。儀表系統的防雷屏蔽可包含控制室屏蔽、現場儀表屏蔽、信號線和電源線屏蔽。

（1）控制室屏蔽。控制室內部的控制系統是儀表系統的重要組成部分，起著極為關鍵的作用，它能夠靈敏地感受雷電產生的電磁脈沖，此時就需要格外注意此系統的屏蔽問題。儀表控制室是無窗結構，具有較強的封閉性，房屋墻壁是由鋼筋構造而成，在鋼筋交點位置進行電氣連接，再與金屬門框進行焊接，就可以構造成一個帶門且有開口的屏蔽籠，也稱之為法拉第籠，接著在控制室內墻壁上選擇合適的位置，在四周墻壁上制作一圈保護接地環，在其中介入防雷地，此時接地環可與屏蔽籠進行良好的電氣連接，從而對控制室進行防雷屏蔽保護作用。

（2）現場儀表屏蔽。在對現場儀表進行防雷保護時，可采用進出材質儀表箱或者儀表罩對儀表設備進行防雷屏蔽保護，儀表箱或儀表罩可與現場的金屬設備進行等電位連接，再連接到防雷接地系統中，從而起到相應的雷電防護。

（3）信號線和電源線屏蔽。信號線和電源線在雷電的電磁脈沖作用下，會產生瞬態過壓電波，為了避免過壓電波的產生，可將經過屏蔽層的線纜應用在信號線和低壓電源線之中。對瞬態過壓電波進行雷電防御時，需要沿著信號線和電源線的屏蔽層進行多點接地，或者在信號線和電源線的首末兩端位置進行接地。在進行多點接地時，極易受到低頻電磁干擾，此時可在金屬管內插入電纜，或者將雙屏蔽電纜應用在信號線和電源線之中，采用這兩種方式能夠對外屏蔽層進行多點接地，對內屏蔽層可實現一端接地，不僅能增強信號線和電源性的安全性，還能使其避免受到低頻電磁的干擾[5]。

對外部電纜進行走線槽時，可采用金屬材質的線纜，并將雙層屏蔽和接地措施應用到其中，對于I/O電纜、電源電纜、通信電纜在控制室外的鋪設部分，需要先進行雙層屏蔽，再將以上線纜進行埋地防護，特別是在控制室外的15m 范圍內，一定要進行有效的屏蔽防雷措施。

3.4 接地防雷措施

在石油化工儀表系統中安裝接地防雷措施，能夠對人身和設備起到有效的雷電防護作用。接地防雷措施能夠避免儀表系統的電子設備在雷電入侵情況下發生浪涌沖擊作用，為低阻抗接地故障的電流提供回路通道。在雷電發生時，有可能在儀表設備上聚集靜電，而接地防雷措施能夠為電子設備創設低阻抗泄漏通道，同時，還能為有效保護儀表系統，為其提供低阻抗的公共信號參考點，將系統的電磁干擾降低至最小值。儀表控制系統的結構復雜，屬于弱電系統，為了保證儀表控制系統不受雷電干擾，在接地系統中需采用獨立地網系統，為了保持其獨立性，需要和建筑物的防雷接地網和電氣系統的接地網分開處理，此種方式能使儀表控制系統在正常情況下不受外界的干擾，但也存在一個弊端，如果建筑物和電氣系統發生雷擊現象，也有可能造成儀表系統的設備內外出現高電位差，在這種情況下極易造成設備損壞。在應用聯合地網的過程中，可將儀表控制系統接地網、建筑物防雷接地網和電氣系統的接地網構成統一的地網結構，有效解決點位反擊問題，與此同時，還能保護接地網，減少接地電阻和電磁干擾，對于儀表控制系統的防雷保護起著十分關鍵的作用[6]。

3.5 安裝浪涌保護器防雷措施

在石油化工儀表系統正常運行的過程中，如果遇到雷電天氣有可能遭受雷擊，此時雷擊電流會進入到儀表控制系統，但是進入的電流高于儀表設備所能承受的電流值，很容易使系統內部的電子元件被擊穿。為了避免以上情況的出現，可將浪涌保護器安裝到儀表系統中，它能夠在系統中起到自動檢測作用，實時檢測系統內部的電流值，如果電流值超過設備所能承受的范圍就會進行自動切換，有效保護電流回路，將強大的雷擊電流導入到地下防雷裝置中，并對輸出的電壓進行科學合理的處理，將其控制在安全電壓范圍內。雖然這種方式不能防止雷擊現象，但是可以盡最大程度保護儀表設備，使石油化工生產不受儀表設備損壞的影響。在浪涌保護器實際應用過程中，可以科學合理地控制電流回路，再利用此優勢可對進入電力線和信號線的瞬態電壓進行有效的限制，將其約束在較小的范圍內，避免由于電壓過高而發生雷擊穿現象，同時還能對電子設備起到有效雷電防護作用。

3.6 規范布線防雷措施

在石油化工企業中所應用的儀表控制系統中，整體內部線路構造較為繁瑣，而且系統還包含了各種儀表設備，傳輸線構造不盡相同。所以，使儀表控制系統具有規范合理化，能夠有效降低應用過程中發生雷擊風險。在安裝線路的過程中，如果工作人員將各種不同型號的線路混亂地布置在一起，那么在系統運行過程中，會發生信號相互干擾的情況。一旦受到雷擊災害，儀表控制系統的線路就會被瞬時超大電流擊穿，整個線路都會在相互干擾的作用下發生不同程度的損壞，而且這種損壞是不可逆轉的。在雷擊災害下形成的設備損壞，會使起著核心作用的控制系統受到創傷，導致企業的儀表設備無法正常工作，影響石油化工的正常生產，還會增加企業的運行維修成本，拖延生產工期。因此，在對儀表控制系統進行布線時，需要嚴格按照相關標準要求和儀表系統的實際情況進行規范化操作，使布線具有科學合理性，最大程度減低雷電災害的損壞率。

4 結束語

石油化工是促進我國國民經濟快速增長的主要產業之一，儀表系統是石油化工生產的中心，對整個企業的生產運行起著極為重要的作用。為了保證石油化工正常生產運轉，需要做好儀表系統的保護工作，尤其是加強雷電防御措施。在開展雷電防御過程中，應先認真分析雷電災害對石油化工生產的影響和儀表控制系統存在的防雷隱患，再根據不同的問題制定科學合理的解決策略，做好直擊防雷措施、等電位防雷措施、屏蔽防雷措施、接地防雷措施。在此基礎上合理安裝浪涌保護器和規范布線，使儀表系統更具安全可靠性，從而保證整個系統的正常運轉，為石油化工生產奠定良好的基礎。