化工企业仪表的防雷技术

2014-08-02孙华营

化工自动化及仪表 2014年11期

孙华营

(鲁西集团园区管理集团，山东聊城 252211)

随着化工生产装置规模的大型化，装置在出现异常时对生命、财产和社会环境造成的危害越来越大。其中，针对自然界雷电对化工生产装置中仪表部分的干扰和危害的记载也越来越多。雷电是云内、云与云之间或云与大地之间的放电现象[1]。在夏季由于太阳辐射的作用，靠近地面的空气因温度升高、密度下降而上升，在上升过程中水汽不断冷却凝结成小水滴或冰晶粒子，形成云团；而上层空气密度相对较大，产生下降运动，云层的上、下运动形成对流。在对流过程中，云中的小水滴和冰晶粒子，吸附空气中分别带有正电荷和负电荷的游离的正、离子(一般是上层云带正电荷，下层云带负电荷)，上、下云层间就产生了电位差。当电位差达到一定程度，空气被击穿发生猛烈的放电现象，在放电过程中产生很大的雷电流，雷电流将空气击穿，形成一个放电通道(即闪电现象)，在放电通道中空气因突然受热，体积迅速膨胀形成爆炸性冲击波(即雷声)。文献[2～6]就油罐区、天然气管线、电子系统及雷达液位计等具体情况，介绍了相应的防雷措施。

如何确保化工生产装置在雷雨季节的安全稳定运行，成为生产管理的重点，而仪表的防雷管理又是重中之重。为此，笔者汇总了化工生产装置中仪表的防雷知识和防雷方法，并给出不具备基本防雷条件企业的整改方法。

1 雷电的危害①

云内和云与云之间的放电因其不能到达地面，一般不会造成危害；有危害的主要是云与大地间的放电(图1)，当云与大地放电时，雷电流，造成的危害就是雷击灾害。在雷电流泄放通道周围就会产生电磁感应，距离放电通道较近的金属部件、电子元件和电气装置，受到电磁脉冲的干扰而毁坏。雷电对于仪表的危害主要是通过雷击电磁脉冲造成的。

图1 云与大地间放电的危害分析示意图

2 雷电对仪表造成危害的途径

2.1 静电感应

当带电的云层出现时，在云层下的地面、建筑物和金属导线表面由于静电感应的作用会感应出与云层下端电荷相反的电荷，由于从云层出现到发生雷击所需要的时间较长，所以在地面、建筑物和金属导线表面会感应出大量的电荷，如图2所示。

图2 地面、建筑物和金属导线表面感应电荷示意图

当云层对地放电时会与地面的电荷迅速中和，但在某些部分，如接地电阻较大的金属导线上感应出的电荷，因为与大地间的电阻较大，不能在同样短的时间内消失，这些失去束缚来不及迅速流散的电荷就会在金属导线上形成过电压，此过电压可达几千甚至几万伏。

2.2 电磁感应

当云层放电时，在放电空间内存在着强大的电磁场，在该电磁场作用下的金属线会感应出数以千伏的过电压。如果金属线缆之间形成了一个回路，该回路内又有一定的空气间隙，那么这个过电压会在间隙处发生火花放电将仪表设备击坏；如果回路没有间隙，金属线缆之间就会形成一个闭合回路，那么在这个闭合回路中就会形成过电流，这个过电流会使回路中的电阻器件发热而烧坏，从而导致仪表设备故障(图3)。

图3 电磁感应危害分析简图

2.3 雷电反击

当建筑物或金属设备遭雷直击时，在建筑物引下线内或金属设备内会流过很大的电流，这个大电流在流入接地装置时，会使地电位相对于远远的地上升几万甚至几十万伏的电压，导致现场仪表的外壳与仪表线间产生几万甚至几十万伏的电压，从而损坏现场仪表。

2.4 电磁辐射

当雷电放电发生在远处时，雷电放电产生的射频电磁场通过空间传播，将会在仪表线路上感应出过电压，这个过电压沿仪表线路传递到二次仪表或DCS系统，将会导致测量数据失真或者联锁保护装置动作。电磁辐射一般不会造成仪表设备损坏。需要特别强调的是，DCS系统的机柜外壳具有良好的防电磁辐射作用，所以雷雨季节DCS机柜的门必须关闭。

2.5 直接雷击

直接雷击(图4)是指安装在高处的仪表，被直接雷击中而形成雷电流释放通道的现象，由于绝大多数仪表设备安装在建筑物或设备防雷保护设施的保护范围之内，所以仪表设备遭受直接雷击的现象很少发生。

图4 直接雷击示意图

3 减少雷电损失的方法

减少雷电损失的方法主要是根据雷电对仪表造成危害的途径采取有针对性的措施。

3.1 静电感应

防静电感应的措施是仪表电缆屏蔽层单端接地。原理是当云层对地放电与地面的电荷迅速中和时，仪表电缆中屏蔽层上感应出的电荷迅速通过接地极释放，从而杜绝静电感应形成过电压。仪表线的屏蔽层不采用两点接地的原因是：现场仪表和二次仪表或者机柜室一般相距较远，现场仪表的地和二次仪表或机柜地的电位很难做到完全相等，此时如果仪表线屏蔽层采用两点接地，两个接地点电位不同就会在屏蔽层中形成电流，而这个电流会对仪表线中的信号造成干扰，所以仪表线屏蔽层一般采用单点接地。

在化工企业中，仪表电缆的屏蔽层一般都进行了单点接地，但在实际运行中也存在着屏蔽层单点接地不好，甚至不接地的现象。2013年7、8月份，某化工企业出现仪表雷击事故，事后现场调查发现：出现雷击事故的仪表大部分存在接地电阻偏大的现象，个别仪表线的屏蔽层甚至没有接地。

所以要想防止静电感应，必须做好仪表线屏蔽层的单点接地工作，接地电阻要尽可能得小(一般不大于4Ω)，屏蔽层没有接地的仪表线路禁止接线和投入使用。已经投入运行的装置，每年春节时要对仪表线的单点接地进行一次彻底排查。

3.2 电磁感应

防止电磁感应的措施是屏蔽层两端接地。原理是使屏蔽层和大地形成回路，当空间中存在着强度较大的电磁场时，在屏蔽层和大地间构成的回路中形成感应电流，从而杜绝了在仪表线路中形成感应电流。

防静电感应要求仪表电缆屏蔽层单点接地，防电磁感应又要求仪表电缆屏蔽层两点接地，那么仪表电缆到底采用哪一种接地方式呢？在实际工作中，仪表电缆都采用屏蔽层的单点接地，而仪表电缆的两点接地通过外层屏蔽的两点接地实现。仪表电缆的外层屏蔽一般通过3种方式实现：一是仪表电缆采用地埋方式，即将大地作为外层屏蔽，这样既解决了双层屏蔽，又解决了两点接地，但在实际工况中，因地埋电缆容易受到损伤，所以很少采用这种方式；二是使用双层屏蔽仪表电缆，两层屏蔽层间用绝缘材料隔开，内层屏蔽进行单点接地，外层屏蔽采用两点接地，这种方式的缺点是两个屏蔽层在线路的两端很容易连在一起，从而失去屏蔽作用，所以目前双层屏蔽主要用在多芯电缆中，即多芯电缆中的每一仪表电缆外层有一层屏蔽层，多芯电缆外层屏蔽作为总屏蔽；三是使用金属电缆桥架，金属桥架至现场仪表侧穿金属管，这种方式因材料易购，便于施工，是目前化工企业仪表防电磁干扰的主要措施。

3.3 雷电反击

防雷电反击的措施就是共用接地网。其原理是：当建筑物或金属设备遭直击雷时，在建筑物引下线内或金属设备内会流过很大的电流，这个大电流在流入接地装置时，会使地电位上升，因共用接地网，远端的地电位也随之上升，现场仪表的外壳对仪表线间电压保持不变，从而实现保护现场仪表的作用。

目前，很多化工企业的二次仪表或DCS系统的地和建筑物或设备的地并没有连接成网，而是单独接地，这种接地方式下一旦高处的设备或建筑物遭受雷击，很容易造成现场仪表的损坏。

3.4 直接雷击

防直击雷的主要措施就是使现场仪表在避雷针或者建筑物的防雷保护区域内，化工企业中由于大部分现场仪表都在避雷针或者建筑物的防雷保护区域内，所以一般不考虑防直击雷措施，只有安装在防雷设施保护外的仪表才考虑防直击雷。

3.5 机柜室防雷

机柜室的防雷对于很多仪表从业人员来说比较陌生，以大家的经验，机柜室的防雷主要是防直接雷，也就是机柜室建筑物必须做好防直接雷设施。实际上，机柜室的防雷设施主要用于防静电感应、电磁感应和雷电反击，首先必须以机柜室建筑物中的钢筋混凝土组成的格栅进行屏蔽，机柜室不设窗户，禁止设立直接开向建筑物外的门，即机柜室的门必须开向控制室或建筑物内的其他房间或走廊。

3.6 其他防雷措施

除了上述防雷措施外，浪涌保护器也是仪表的重要防雷措施之一。浪涌保护器能够保护线间和线对地间的过电压，释放电涌电流，既能预防静电感应又能消除电磁感应还能防止雷电反击。浪涌保护器的工作原理如图5所示[7]。但由于浪涌保护器一般成对使用，即在现场仪表侧和二次仪表或DCS接线端子侧，都需要安装浪涌保护器，投资较大，所以使用并不广泛。经验表明，只要做好上述5条防雷措施，雷击时出现仪表故障的概率就会很低，只有在经常出现雷击事故并且其他的措施都已实施的情况下才考虑使用浪涌保护器。