防雷防浪涌技术在榆林公司应用

魏 丹

（国家能源集团 神华榆林能源化工有限公司，陕西 榆林 719300）

0 引言

雷击是在一定情况下自然界产生的电磁辐射源，能向周围环境发射巨大的电磁信号。因天气原因发生雷击时，仅在短短的瞬息微秒间便会产生至几百千安的雷电流。产生的巨大电流会因为强大的物理变化，在放电通道的周围环境生成强烈的瞬变电磁场。处于该磁场中的金属导体因自身灵敏的导电特性，会感应出瞬态过电压。相关研究者针对雷击对电子设备造成的伤害，可以表明雷击对电子设备的影响巨大，对实际的化工业生产过程的安全和效率产生一定影响。利用科学仪器的分析和计算，发现雷击产生的中低量的瞬态过电压会对电子设备的通讯和数据传输造成干扰，影响数据的储存和利用，在一定情况下容易引起电子设备的失控。同时，雷击产生的连续多次的瞬态过电压会严重缩短电子设备的使用寿命，影响电子设备的工作性能，降低在实际生产过程中的生产效率，还有可能造成安全隐患。在当代化工业生产企业中，仪表系统具有不可替代的重要作用，被广泛运用于实际的生产过程当中。但仪表系统自身在防雷技术上具有局限性，其绝缘能力低且易受电磁干扰，在雷电暴雨天气中极为容易被干扰甚至损坏。经数据统计，神华榆林公司因地处雷暴区域，在2017年内因受雷电影响造成的仪表设备损失达60多万元。因此，化工业生产企业积极采取有效的防雷保护措施是非常必要的。随着生产方式的多样化，实施有效的防雷技术已是大势所趋。对此公司组织相关技术人员成立了防雷防静电技术攻关小组，通过与厂家技术交流，并结合公司实际情况做好组织落实，以减小雷电造成的损失和影响，降低企业生产成本，促进企业健康的可持续发展。

1 仪表设备防雷分析

1.1 雷击对仪表设备带来的破坏性

雷击对仪表设备的破坏性危害主要有以下几类：

1）雷电直击

雷电直接击中现场仪表设备及控制系统或与仪表相连的管路，直接对仪表系统的传感器和变送器的电子线路造成影响甚至损坏。同时，雷电击中仪表系统时，强大的雷电电流会沿着仪表金属支架直流流入地面，产生强大的感应磁场。该磁场是破坏DCS等电子设备的主要原因，其主要传导信号传输线路直达控制室，直接对相关电子设备造成影响。现场热电阻如果安装在空阔地带，DCS控制系统中热电阻卡会被瞬间的高压雷电击坏。本公司2017年秋季的一场雷雨将循环水场的和利时DCS控制系统的两块热阻卡击坏。

2）雷电感应

雷电电流会产生磁场，其向外辐射电磁波，耦合到相应的仪表设备、控制室计算机等，产生强大感应电动势或电流。如果仪表设备、计算机系统没有泄放感应电的能力，电路板即会被击穿损毁。

3）雷电过电压侵入

生产仪器系统中导线和金属管道在遭受雷电直击或雷电感应时容易产生雷电过电压，此过电压沿着工厂中具有导电功能的各种金属管道、电缆线路等引入仪表系统，对仪表系统功能的使用寿命造成影响。

4）雷电反击

当雷电电流通过接地体时，强大的瞬间雷电电流通过引下线流入接地装置。由于大地电阻的存在，雷电电荷不能快速向大地泄放，会造成电荷聚集，必然会引起局部地电位上升，提高了危险系数。所以，在实际的生产过程中，如果仪表控制系统的接地体与该点的距离过近，为满足适当的安全条件，二者之间的距离参数就会满足放电条件，极易产生放电现象并产生反击电流，直接从相反方向击穿仪表设备，造成设备的失控和损坏，甚至会危害工人的生命安全，造成严重的安全隐患。

表1 榆林公司雷击损毁情况Table 1 Lightning damage in Yulin Company

地处沙漠雷暴区域的神华榆林公司在2017年内，因受雷电影响造成的仪表设备损失达60多万元。仪表设备损坏情况见表1。

1.2 雷电防护措施存在的问题分析

面对这种情况，为保证仪表设备长周期稳定运行，公司成立了防雷防浪涌技术攻关小组，针对以往发生的雷击事故，分析总结出公司雷电防护措施存在如下问题：

1）防雷接地装置老旧破损，自然腐蚀严重，降低传导雷电电流的效率，延长引导电流流入地面时间。

2）投用的仪表系统中的部分金属装置和框架没有接地，或者接地连线状况问题较为严重。

3）仪表设备和电缆的屏蔽存在问题，仪表保护地漏接或松动。

4）引下线和仪表系统的电缆线分布不科学。

5）仪表地处位置较为空旷，易受到雷击影响。

2 解决方案与措施

自动控制仪表行业防雷保护对象主要分为：

1）供电电源：涵盖为控制室各DCS、SIS、PLC等控制系统提供电源的市电及UPS供电、分配至现场220V交流空开电源，24V开关直流稳压电源。

2）控制系统各类I/O卡件：包括热电阻热偶卡、模拟量输入输出卡、数字量输入输出卡、通讯卡、现场总线接口卡、机笼等。

3）现场设备：各类两线制四线制流量仪表、压力仪表、液位仪表、热电偶、秤重设备等仪器仪表。

为解决公司仪表防雷击的问题，仪表专业通过与MTL、ABB、菲尼克斯先后进行了防雷防浪涌的技术交流，厂家均给出了详细方案。

图1 浪涌保护器接地Fig.1 Grounding the surge protector

2.1 浪涌保护器安装与选择

2.1.1 浪涌保护器的安装及注意事项

1）成对安装

安装浪涌保护器是化工企业在实际的生产运用过程中的仪表的重要防雷措施。浪涌保护器一般安装在现场仪表侧和二次仪表或DCS接线端子侧，为了更高效地发挥其工作效能，工厂一般采取成对运用的方式安装。如果现场仪表需要加装防浪涌设备，不仅信号回路要加装浪涌设备，电源侧同样需要加装，尤其是220V交流供电。

2）浪涌保护器与仪表系统需要同一接地点

高效的运用好浪涌保护器，要求浪涌保护器与仪表系统之间的电势差为零，即需要二者始终保持相等电位。为达到高效的防雷效果和防浪涌生产，相关工作人员应设计一套囊括整个产区的等电位地控制系统。若因工厂自身条件的局限性，无法实现整个厂区的等电位地，则应因地制宜，有效地将浪涌保护器与被保护的设备同地。

图1中左侧图，浪涌设备与被保护设备不在同一个地，则会大大消减对设备的保护。因为浪涌保护器放电时，浪涌保护器的电势随着电流的升高而升高，而设备本身的电势没有变化，因而会形成电势差，将危害被保护设备。而右图中，由于浪涌保护器与设备在一个地，即便由于浪涌设备放电会导致电势升高，但不存在电势差，设备被有效保护。浪涌保护器的接地线与被保护设备的接地线要尽快相连，且时间越早效果越好，即所谓星型地线连接原则。二者相连时要选择功能相应的接电线相连，保护I/O卡的浪涌保护器的接地线应尽早与I/O卡的地线连接；保护稳压电源的浪涌保护器的接地线应尽早与稳压电源的地线连接。然后，再接往电气总接地电极。

3）现场仪表安装电缆需带金属屏蔽层，且屏蔽层需单点在控制室机柜间做好接地，对无屏蔽层、屏蔽层损坏有断点的电缆需重新敷设，不留死角。现场仪表侧的仪表线路屏蔽层进行绝缘处理，且保证屏蔽层必须穿入仪表外壳内。

4）仪表控制系统机柜间需增设防静电手环，在进行系统卡件插拔更换前将人体静电释放。

2.1.2 浪涌保护器的选择

通过多次技术交流讨论，结合公司各机柜间实际布置图及现场安装位置，采用菲尼克斯浪涌保护器。

1）针对现场仪表

一是在两线制变送器信号侧增加S-PT系列浪涌保护器，此保护器并联在信号线上，外观是全不锈钢，即省掉再加电源线的设置，又可将浪涌保护器裸露在外边，而且电气接口与现场仪表一致，不用再制作转换接头；二是对无源输出信号线增加6cm宽度TTC系列浪涌保护器，并使保护器可靠接地。

2）现场四线制仪表（24V信号显示和220V电源回路）的称重传感及流量设备

① 检查所有外场仪表接地，并保证接地电阻小于4Ω。对于接地电阻在4Ω的流量表，尤其安装地处于空阔地带，现场重新深挖接地电缆沟，采用接地铜排的方式直接连至电气的公共接地端。循环水的原区进水流量计为GE超声波流量计，在2017年的雷击过程中先后烧坏过两块控制板，多次检查均没有找到问题点。与防浪涌厂家技术交流，怀疑是接地深度不够，再次检查发现接地不合格，因此采用深挖接电线铜排直连电气的方式，耐受住了2018年3次较大雷雨天气的袭击。

② 针对四线制220V交流供电仪表，选用支持在线热插拔更换损坏模块，具备故障指示及遥信报警VAL系列220V浪涌保护器，并保证防浪涌器可靠接地。

③ 整改仪表设备接地线缆到接地汇流排线缆长度不要超过1m。

3）仪表机柜间

控制系统卡件接线端子前端增加信号类浪涌保护器：AI/AO菲尼克斯浪涌保护器TTC-6-1×2-M-24DC-UT-I（24VDC）；485浪涌保护器通迅菲尼克斯TTC-6-3-HF-M-12DC-UT-I（12VDC）保护信号回路；DI/DO菲尼克斯浪涌保护器 TTC-6-2×1-M-24DC-UT-I（24VDC）。

TTC系列产品能带负载电流为600mA，具有安全脱扣和状态报警指示功能。无源的状态指示，可以在线更换被雷击损坏的模块，而且宽度只有6mm，很好地适应了机柜内空间问题。同时，自带报警功能，难以较容易地识别出浪涌保护器的使用状态。

4）电源220VAC现场供电回路机房配电侧

机房配电侧，每一路220VAC供电回路加装采用支持在线热插拔VAL系列保护器，并可靠接地。

改造后，增加接地措施以及增加防雷浪涌保护器后的仪表回路，如图2所示。

2.2 增设浪涌保护器方法及步骤

2.2.1 安装注意事项

1）无联锁逻辑的信号，与工艺协商，开具作业票，直接拆除信号线后安装防浪涌保护器。

2）参与联锁逻辑的信号，与工艺协商，开具作业票，先摘除联锁信号，然后拆除信号线后安装防浪涌保护器。

图2 防雷改造后的仪表回路Fig.2 The instrument circuit after lightning protection transformation

2.2.2 安装信号类型

1）按照全厂仪表布置图，选择安装在空阔地点及全厂重要仪表生成安装防雷防浪流涌仪表一览表，现场仪表到机柜侧的信号线，在机柜间第一道端子处增设防浪涌保护器；现场变送器则并联防浪涌保护器。

2）通讯点：现场PLC等控制系统与DCS控制系统之间的所有通讯信号增设防浪涌保护器，其中罐有4套通讯设备；MTO装置有5套通讯设备；LOUR装置有5套通讯设备；栈桥有4套通讯设备；PP装置有10套通讯设备；LDPE装置有16套通讯设备；污水有7套通讯设备；动力有16套通讯设备；循环水有7套通讯设备。

2.2.3 方法及步骤

1）现场信号进入DCS系统卡件前，增设防浪涌保护器。拆除机柜间现场侧接线端子后，在拆除端子的位置处安装浪涌保护器，按照浪涌保护器的接线方式将拆除端子的信号线恢复接线。所有接线端子在接线前穿好打印的线标，并将仪表接线一览表进行实时更新。

2）现场PLC等控制系统与DCS控制系统之间的通讯信号，分别在各自系统的机柜侧增设防浪涌保护器。分别拆除各自机柜侧通讯信号接线端子，在拆除端子的位置处安装浪涌保护器，按照浪涌保护器的接线方式将拆除端子的信号线恢复接线。

3）接地方式：由于浪涌保护器的接地端与导轨用金属连接，故在同一导轨安装的浪涌保护器其接地方式直接采用导轨与柜内接地汇流条连接方式，接地线总长度不超过1m。

4）现场并联浪涌器时，先对浪涌器接线端用U型接线端子压好线，再并联至回路中。

5）对于PE装置脉冲控制器，其DI/DO信号是与DCS及SIS系统相连，介于在2017年秋季一场大雨中被雷击坏了两块数字板，因而对DI/DO信号在中央控制室侧第一道端子也增加了TTC-6-1×2-M-24DC-UT-I（24VDC）保护器，AI/AO信号增加MTL系列隔离安全栅。

6）对回路的精度进行检查测试

模拟输入点（4mA～20mA信号）：在控制站模拟输入卡一侧，拆除被测点接线，接入信号发生器的输出端，依次送入量程的0%、50%、100%对应的毫安信号，在操作站的点细目画面、流程图画面观察并记录PV值，将结果填入点检记录单，以测试增加保护器的精度是否符合要求。

DI/DO点：DI信号短接测试，DO信号输出侧电压，响应速度是否达到要求。

2.3 增加相应防雷防浪涌制度、巡检频次

1）完善仪表防雷防静电管理规章制度、台帐记录，增加防浪涌保护器更换记录。

2）按照要求，现场仪表的金属外壳、仪表保护箱、接线箱及机柜的金属外壳应就近接地或与接地的金属体相连接。

现场防雷防静电设施，包括防雷防静电接地、静电跨接、仪表设备的工作接地、保护接地及信息接地等设施是否完好，对仪表静电接地装置进行定期检测。对不合格、不安全接地进行整改，完成后再做相应检测。

3）对增加的防浪涌设备进行周期巡检，在雷雨前、雷雨后增加巡检频次；对有报警的设备，立即组织人员进行更换。

4）按照相应规范，对防爆区域的所有仪表的保护地进行完善及检查，对其有松动、锈蚀的接地线进行紧固及除锈；其它区域供电为36V以上的仪表没有保护地的进行敷设及完善。

3 结束语

本公司现场及机柜间仪表设备经过防雷措施改造，在2018年期间此地共发生较大雷暴雨有3次，均未造成仪表损坏或示值波动。

通过公司现场仪表防雷浪涌保护改造的实例说明，在中国当代的化工企业中仪表防雷防浪涌设备的安装及运用非常重要，在各个生产环节中都起到不可替代的重要作用。这些项目的运用同时对公司后序项目提供有利支持，可在设计施工阶段提前部署，避免同类型雷击仪表损毁事件的发生，做到事前预防，从而降低非计划停车次数，保证各装置仪表长周期平稳运行，促进企业长久健康的可持续发展。