化工装置仪表自控系统的防雷措施

周 桐

（山东华鲁恒升化工股份有限公司，山东德州 253024）

0 引言

现阶段，仪器仪表的自动控制技术在化工领域得到广泛深入的应用，但其运行过程中对雷电自然灾害的防护能力仍存在较大缺陷，技术研发具有较大上升空间。化工企业、设计部门及制造商应当加快对仪表及控制系统抗雷电干扰方案的研究步伐与力度，基于各设备的工作特点、雷电对其影响的原理及特征，进行多次科学试验，力求研发出化工仪表及控制系统对防雷效果显著的设备或技术方案。

1 雷电对化工装置仪表自控系统的危害

通常来说，化工装置遭受雷击的频率是相当高的，尤其是雷暴日较多的沿海地区，雷电对仪表及控制系统造成不同程度的损害，严重影响企业的经济效益。目前，主要防雷措施为分流法，即在现场仪表及控制系统的信号回路两端安装浪涌保护器（SPD），可对过电压与过电流起到即时限制作用[1]。考虑到成本因素，大多数单位只对部分关键控制回路的现场仪表端和控制系统侧设置了SPD。如果每个I/O 通道都装置有SPD，在一定程度上会增加经济成本，也会相对提升风险率，SPD 的故障增加了整套仪表自控系统的维修率。因此，化工企业通常只会在相对重要部位安置浪涌保护器，这样无法全面有效改善防雷问题。

1.1 雷击直接侵入

仪表系统所遭受雷电的直接袭击，主要是击中设备自身、运行系统以及各种连接管路，继而破坏传感器的模件、变送器电子线路板等部件，致使系统无法正常运行[2]。同时，雷电流通过将仪表支架作为传播载体，瞬间导向大地，产生强力的感应磁场，对传输系统信号的线路造成瘫痪性破坏，再将电流耦合到控制室的各个电子设备，例如DCS 设备，对设备造成不同程度和种类的破坏。

1.2 感应雷击

感应雷击，即雷电未直接击中仪表自控系统的任一部分，而是雷击导线或是在仪器仪表设备周围，因静电与电磁感应在导线或仪器仪表设备上造成过电压。主要表现形式分为2 种。

1.2.1 静电感应

静电感应会对装置仪表自控系统产生相应破坏，主要是雷电发生时，由于雷云雨电场会产生一定的作用，金属类线缆上面会有大量电荷依附，随着大量电荷的累积，会造成化工装置仪表自控系统设备产生放电现象。若电荷与化工装置仪表自控系统的电量的电位差较大时，因为静电感应而产生电荷，会进入到相关系统设备，然后会对运行系统造成损害，导致运行系统瘫痪，严重时也会造成死亡性破坏。

1.2.2 电磁感应脉冲辐射

雷电流对周围空间地形的电能强力且持续性输出影响后形成强力电磁场，而后利用电磁场向周围产生电磁波辐射，形成电磁脉冲辐射。在此情形下，设备控制室同样也会产生不可避免的耦合效应，其危害范围主要波及到仪表、仪器、计算机以及各设备的基础导体等，所产生的感应电流或电势对设备造成不同程度的严重破坏。

1.2.3 地电位反击

接闪器在电流接闪时，重大的即时过电流将经过引下线引入接地极。雷电流在其释放过程中，通过连接导体上产生的高电压对其周围所有物体发生电击活动，该现象即称为雷电反击。因大地具有一定程度的电阻效能，雷电流在向大地释放过程中，某局部电位会迅速且持续性增加。若两套接地极系统的安全距离设计不规范，接地极之间则会产生极高的电位差。继而形成巨大的即时反击电流，直接影响仪表自动化控制系统的正常运行，致使其瘫痪甚至更严重的破坏。

2 仪表自控系统的防雷措施

2.1 接闪处理

设计接闪系统时，基本来说，必须根据工艺装置、控制室、机柜室等建筑的结构型式等综合因素，设计合理、全面的防雷措施。例如对现场某个仪表自控系统的防雷设计，应当根据其周围装置的工艺、结构进行配套设计，防止耦合效应或形成极高的电位差等。

2.2 等电位连接

雷电产生电流的即时电压非常高，同时连带到周围金属物质再次加剧高压，期间会衍生击穿放电的击穿电压，对仪表设备造成直接性破坏。同时电磁场也会产生不同程度的波动，干扰仪表总控系统的正常运行。因此，为确保仪表装置与各设备之间水平电位相同，首先是严格对照处理装置区内的基础设施，将各设施联合接入防雷接地网，促使雷电产生电流时各设备间承载的负荷趋于均匀，可有效消减雷击对各设备的损坏程度。

2.3 接地系统的设置

现阶段化工仪表系统的防雷接地措施主要包括浮地接地和多点接地。若通信系统的“工作区域”、“保护区域”与“防雷区域”是分散安装，未联合开展而自成系统，即为“分设接地系统”。此类接地方式突出的优势在于可施展就近接地，接地线的附着电感较小。但是如果在保护区系统内侵入了较强力的雷电波，其高压同样也会损坏电子电路。若三者联合设置，建设成统一性的接地系统，则是合设接地系统。合设接地系统有效消解不同接地点产生不同程度的电位差，当发生雷击时，可有效控制且阻断不同接地点间产生的放电现象。

2.4 信号线路的防护

线路传输过程中，雷电衍生雷电波，在其线路上产生的瞬间冲击感应值较强。因此对于仪表自动控制系统，首先是可承受住能量较大的即时冲击[3]。绝大部分仪表带集成电路板，其控制系统由于电子元器件的中心集成化而导致耐压及其耐过流水平降低。仪表控制系统的回路设置中，部分电子设备因其承载较多电压而损坏电路器件，因此在仪表系统中遭受雷击较为密集且严重的部分应当再次施加SPD 设备。主要措施如下。

（1）现场仪表设备的SPD 安装。现场安装过程中，确保SPD处于防爆盒内，对于仪表的保护装置及其防爆设备的设置必须同步施加进等电位保护。安装现场各变送器时，必须采用具有多级浪涌电压保护效能的管形SPD。常见安装方式如图1 所示[4]。

图1 分离安装在保护箱中电涌防护器与被保护仪表接线

（2）控制室设备的SPD 安装。基于现场安装SPD 之后，再安装控制室的SPD。安装过程中，为确保设置保护后的信号线路能够防止藕合高压等不良现象的产生，同样必须分开进线与出线的设置。接地系统的汇总端必须就近安排于防雷设备周围。在控制室内与现场对应的设备，也必须采用具有多级浪涌电压保护功能的SPD 设备。接线原理如图2 所示[4]。

图2 电涌防护器机柜内的接地基本原理

2.5 屏蔽和保护措施

化工仪表装置使用的电缆，普遍情况下都包括了半导体器件、信号传递线路和集成电路。因雷击的产生出现即时性电磁脉冲，会直接连带辐射到电缆。即时过电压波在电源或信号电路上，也能同时被感应和监测到，接着再通过线路进入电子设备，从而影响电子设备的正常运行，引起电子设备运行系统瘫痪或其他类型损坏。另外，需要搭建可屏蔽设施，用于屏蔽或降低电磁脉冲产生的能量及电磁脉冲的传播速度，是防护优化措施中比较显著的防护措施之一[5]。仪表系统中的防雷屏蔽措施主要是通过控制室进行屏蔽，还有现场仪表的屏蔽，加上信号线路和电源线路的屏蔽，才能达到防雷效果。

2.5.1 控制室屏蔽

仪表整体装置运行系统中的重要核心点就是控制室屏蔽，控制室屏蔽对于雷电所产生的电磁脉冲影响有着极高感应，因此，需要提高控制室屏蔽的防护。仪表控制室的构建普遍情况下采用无窗的封闭形式以及钢筋交叉点的结构，构建出屏蔽室，在室内沿墙壁的四周设置安装一圈保护接地环，也叫连接防雷地，才能有效将接地环与屏蔽室进行电气连接。

2.5.2 现场仪表屏蔽

针对现场仪表设备的屏蔽保护，主要通过使用金属仪表外罩，以起到防雷屏蔽保护作用。仪表的外罩务必要和现场其他类型的金属设施，搭建出等电位承接。为防止雷电电磁脉冲在信号或电源线路上，产生强力较高的即时过电压波。所有信号线一般采用总屏+分屏的结构型式，使用包含金属屏蔽层的电缆，才能有效进行信号线与电源线的屏蔽保护。

针对瞬态过压防护措施，信号线和电源线的屏蔽层不能在线路的首端和末端同时接地。因为设置线路的多点接地后，系统中各个接地点之间的屏蔽层，会顺着线路产生一定回路。由于低频干扰电流的电磁场会通过屏蔽层，在电缆的芯护套回路中产生部分低频干扰。因此，屏蔽层只能应用单点接地。为避免因为多点接地而引起的低频干扰影响，电缆采用金属穿线管进行保护。这样，可有效抑制低频干扰产生的不良影响，继而增强防雷措施的有效性，提高装置安全性。

3 化工装置防雷措施的注意事项

（1）化工装置仪表自控系统设备的运行过程中，需做到“运监同步”，即运行过程中必须同步监控，检查设备运行的各个重要部位，尽早挖掘潜在风险，及时解决问题，消除隐患。

（2）必须定期检测电涌防护器的运行状况，发现击穿或失效，应及时更换。

4 结语

化工装置仪表自控系统的防雷接地工程较为繁杂，涉及范围较广，虽然不同地区所遭受雷电的危害程度各不相同，但受害概率较高。对此，应该基于自动控制系统及仪表设备的运行特点，结合现场仪表设备防雷、等电位连接、防涌浪保护器的设置以及信号电缆的保护与屏蔽、接地构建等方法来切实完善防雷工作。将雷击对设备的灾害程度降低至最低范围，确保化工装置仪表自控系统乃至整个工艺装置的安全稳定运行。