关于化工装置仪表自控系统防雷的论述

栾家斌

（大连化工研究设计院，辽宁大连 116023）

关于化工装置仪表自控系统防雷的论述

栾家斌

（大连化工研究设计院，辽宁大连 116023）

介绍了雷电对化工企业仪器仪表及控制系统造成的危害和影响，简要说明化工企业仪表自控系统的防雷体系，阐述仪表自控系统防雷的对策和措施。

浪涌保护；接闪；均压；屏蔽；分流

近年来，仪器仪表的计算机自动化控制技术在化工行业中得到了广泛应用，仪表自控系统正向智能化、网络化的方向迅猛发展，而由于仪器仪表等设备过电压和过电流耐受能力差、对电磁干扰敏感等弱点，雷电对仪表自控系统所构成的威胁日益增大，雷电过电压、过电流和脉冲电磁场会通过仪表信号回路、供电回路、电缆汇线槽、穿线管等途径到达仪器仪表设备，威胁仪表自控系统的正常工作和安全运行。因此，在现代化工仪表自控系统中合理的防范雷电变得尤为重要。

1 雷电对仪表自控系统的危害和影响

化工企业常常因为遭受雷击，造成仪表自动化控制系统瘫痪，使企业蒙受经济损失。一般的防雷措施主要是采用分流法，通过在仪表自控系统的信号回路等安装浪涌保护器（Surge Protective Device），以达到限制瞬间过电压和过电流的目的。但是单位SPD的特点是只能为回路的局部提供保护，例如安装在DCS系统控制室的单通道SPD只能对DCS系统相对应的卡件通道提供保护；安装在现场信号变送通道的SPD只能对变送器提供保护。如果每个I／O通道都安装SPD，这样不仅会大幅度增加企业成本，而且SPD的故障率也会导致整套仪表自控系统的维修率大大增加。因此，化工企业通常仅在一些相对重要的场合使用浪涌保护器，不能全面较好地解决化工仪表自控系统的防雷问题。

1.1 直接雷击

所谓直接雷击就是在雷电活动区内，雷电直接通过人体、建筑物、设备等对地放电所产生的电击现象。在化工企业中，雷电直接击中现场仪器仪表设备，进而造成仪器仪表传感器或变送器的电子线路损坏。

1.2 感应雷击

所谓感应雷击就是雷电并未击中仪表自控系统中的任何部分，雷击导线或仪器仪表设备附近时，由于静电和电磁感应而在导线或仪器仪表设备上形成过电压的现象。

1）静电感应。雷电来临时，由于雷云电场的作用，地面金属类线缆导体被感应出大量电荷，接闪后大量电荷产生放电，由于瞬间电量极大，形成很高的电位差，放电电流若进入现场仪器仪表等设备，便会造成设备损坏。

2）电磁感应脉冲辐射。当接闪器发生接闪时，巨大的雷电流将瞬间流过接地引下线，并在引下线周围产生巨大的瞬变电磁场，并向外辐射电磁波，处在该电磁场中的金属类导体就会感应出较大的感应电动势，如果有回路便会在回路中产生较大的浪涌电流，从而造成仪器仪表设备故障，导致仪表自控系统失灵。

1.3 电涌引入

直接雷击或感应雷电都可以使金属类导线及金属管道产生过电压，过电压涌入可以发生在供电回路或信号回路中，造成供电回路供电质量下降，信号回路中芯线与芯线及屏蔽层之间产生横、纵向过电压，并通过耦合干扰和破坏信号回路中所连接的仪器仪表设备。

1.4 反击

接闪器接闪时，巨大的瞬间过电流将通过引下线引入接地极，雷电流在释放过程中，连接导体上产生的高电压将对其周围其它物体产生电击，这种现象称为雷电反击。由于大地具有一定的电阻，雷电流向大地释放必然会有一个过程，在该释放过程中，局部地电位将瞬间提高，如果两套接地极系统没有设计足够的安全距离，接地极之间就会产生极高电位差，形成巨大的瞬间反击电流，直接对仪表自动化控制系统产生巨大的破坏。

2 仪表自控系统的防雷措施

2.1 接闪

接闪设计时，应根据仪表自控系统控制室及现场工艺装置的结构形式等各种相关因素，综合全面地考虑防雷措施。例如现场仪表自控系统的防雷，应和周围的工艺装置等防雷措施一起设计，并根据实际情况考虑采用的接闪器类别（避雷针、避雷带或避雷网）。

2.2 均压

为防止瞬态电流流经导体与其周围金属物体之间的反击放电，导致仪器仪表设备的损坏，干扰仪表自控系统的正常运行，应当将穿越防雷保护区的仪表自控系统控制室的地面墙面、仪器仪表、设备管线、工艺装置等进行等电位连接，并且与仪表自控系统控制室的防雷接地系统相连接，以形成比较完善的等电位连接。

2.3 接地

接地是雷电防护措施中的重要程序，要全面考虑各种因素，使接地系统能够保证电势陡度最小，尽可能达到均衡电位的效果。对于浮地、多点接地等防雷接地措施，如遇较强雷击时，由于仪表或DCS设备外壳保护接地，仪表或DCS设备外壳与其内部电路之间将会形成较高的电位差，将两者的绝缘间隙击穿，对电路造成破坏。因此，可以将保护接地与工作接地连接起来，并接入全厂防雷接地系统。

2.4 屏蔽

由于化工仪表自动化控制系统采用大量的半导体元器件、集成电路以及电力、信号传输电缆，因此对现场仪器仪表及控制室的屏蔽，不仅要考虑直接雷击的危害，还应考虑雷击所产生的电磁脉冲辐射的影响。雷击产生的瞬态电磁脉冲可以直接辐射到这些元器件上，也可以在供电或信号电缆上感应出瞬态过电压波，沿电缆回路侵入仪器仪表设备，从而对仪器仪表设备造成破坏。通过使用屏蔽体进行衰减或阻挡电磁脉冲的能量传播是一种有效的防护措施。仪表自动化控制系统的防雷屏蔽主要包括以下3个方面。

1）现场仪表屏蔽

现场仪表采用金属材质的仪表保护箱实现防雷屏蔽，仪表保护箱接入全厂防雷接地系统。

2）控制室屏蔽

仪表自动化控制系统的控制室对雷电所产生的电磁脉冲具有较强的敏感度。因此，应对仪表控制室墙壁中的钢筋结构交点进行电气连接，构成屏蔽笼，并且在室内四周沿墙壁再做一圈保护接地环，同时接地环与屏蔽笼应进行有效的电气连接，最后接入全厂防雷接地系统。

3）信号回路和电源回路屏蔽

为防止雷电电磁脉冲在信号回路或供电回路上感应出瞬态过电压，所有的供电回路及信号回路都应采用具有金属屏蔽层的电缆。同时由于屏蔽层多点接地将会在电缆的缆芯与护套间产生低频干扰，因此屏蔽层沿线只能采取单点接地。为此，供电回路及信号回路应采用双屏蔽电缆，其内屏蔽层可以采用单点接地，外屏蔽层可以采用多点接地。

2.5 分流

由于发生接闪时，雷电流主要通过分流和感应两种方式释放，因此通过设置合理数量的防雷引下线，使分流后的雷电流变小，从而将发生雷电反击和感应的影响范围降至最低。

2.6 综合布线

仪表自动化控制系统控制室与现场工艺装置之间的信号电缆、供电电缆以及电子通讯线应该合理布局，设计合理间距，减小各种电缆之间的耦合程度。根据“趋肤效应”，当电流通过导体时，愈靠近导体表面，电流密度愈大。因此，综合布线时应当将信号电缆的屏蔽层做好接地，感应电荷就会被及时导入大地，从而保证了信号传输的可靠性和安全性。

TU 895；TQ 086.1

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1005－8370（2012）01－21－02

2011－10－20