石油化工仪表系统的防雷隐患及防雷技术分析

刘玉豪

（中海油能源发展装备技术有限公司设计研发中心，天津 300452）

1 雷击对石油化工生产的影响

1）雷电直击影响。雷电直击发生的时间极短，但是造成的影响较为严重，能够直接破坏仪表设备线路，尤其在强大的电流作用下，会导致石油化工仪表传感器膜件受损，严重时整个线路无法工作，使仪表控制系统处于瘫痪状态。在雷电直击后，还会引发火灾安全事故，严重威胁工作人员的人身安全，而且还需要支出较大维修成本，不利于提高企业的经济效益[1]。

2）雷电感应影响。雷电感应，又称位置应感雷，它能对石油化工企业的各个生产环节造成不同程度的影响。雷电感应产生的过程中，在地面物体上会分布较为聚集的电荷，特别是呈尖端性状的一些物体，极易在尖端位置形成聚集分布，当大量的电荷积累到一定程度时，就会发生电荷放电情况。当电荷进入到仪表系统时，就会造成系统出现损坏问题，同时电磁脉冲也会同步出现，引发不同程度的辐射问题。在此过程中，电磁波会向外部发生辐射，有可能干扰仪表系统的正常运行，导致仪表系统内部出现感应电动势和感应电流等问题，引起仪器设备发生一系列的故障问题。

3）电压影响。电压对石油化工所带来的生产问题，是在雷电直接或者雷电感应的影响下，使金属管内部发生电压变化，如果高电位的电压进入到石油化工的仪表系统时，会使金属管道和电线线路的电压发生变化，不仅会使仪表系统受到电磁干扰，还有可能发生损坏现象。

2 石油化工仪表系统的防雷隐患

石油化工可包含PLC 控制系统、DCS 控制系统和FCS 控制系统，这三种控制系统都具有防雷保护功能，而且防雷保护功能和仪表系统的类型、电压有着极为密切的关系。仪表设备在应用过程中存在着很多不足之处，比如没有良好的绝缘性能、不具备较强的耐受力等，如果遇到雷雨天气或者直接遭受雷击，都会对仪表系统造成一定程度的损坏，而后续产生的后果有可能是无法估量的，轻则只损坏仪表系统，无法正常运行或者需要更换新设备，重则发生安全事故，造成人员伤亡。DSC 控制系统是石油化工仪表系统的主要组成部分，对整个石油生产起着重要的指挥作用，但是DSC 控制系统的构成较为复杂，而且不具备抗干扰性，是一个弱电控制系统，因此遇到雷雨恶劣天气，就很容易发生雷击情况，此时仪表设备会受到不同程度的损坏，也有可能在雷电的入侵下，整个DSC 控制系统无法继续正常工作，极大降低了石油化工的生产效率和质量。在对石油化工进行防雷设计时，大多将设计重点放在供配电系统之上，比较侧重于供配电系统的防雷设计，对DCS 控制系统和该系统的仪表设备的二次防雷设计有所忽视，导致在实际运行时DCS 控制系统极易受到雷击损坏。从目前DCS 控制系统和该系统仪表设备发生雷击的情况来看，导致雷击的主要是两种原因，即地电位反击和雷电感应，而这两种情况采用分流法进行防雷预防。在进行雷电防御过程中，可在DCS 控制系统的回路通道上安装浪涌保护器，这样不但能保护DCS 控制系统的供电电源和通信回路等，还能保证仪表设备正常发挥信号，但是只能在某个回路通道上安装浪涌保护器，以此来起到局部保护作用，并不能对整个系统的回路和通道进行保护，因此适用于局部保护仪表系统，对于整个仪表系统没有较为显著的防雷保护效果[2]。

3 石油化工仪表系统防雷技术分析

3.1 直击雷防护措施

在对石油化工进行直击雷防护措施时，可有效保护该区域的地面建筑物和室内仪器设备，避免它们发生雷击损坏，因此，直击雷防护措施是一项较为基础的防雷手段。此种防雷技术的应用需要在地面的控制室上方选择合适位置，在此位置安装避雷装置或者设计相应的避雷带。在进行安装时，需要根据安装地点的实际情况选择合适的安装方式。如果地面控制室是独立性的建筑物，则需采用设计避雷带方式，此方式可与地下线路进行连接，将雷电现象带来的雷电冲击力传输到地面，从而分散雷击损坏，起到有效的雷电防护作用；如果地面控制室和生产线在同一建筑物中，不具有相对的独立性，那么需考虑安装避雷装置是否会影响到石油化工成产及其生产环境。在避雷装置和引下线进行连接时，应避免和控制室、生产线的电路连接，尽量防止电路之间出现相互交错的情况，这样能够有效避免发生电磁感应，从而起到直击雷防护效果[3]。

3.2 等电位连接防护措施

石油化工企业在应用防雷技术时，需要对企业的建筑物和地面控制系统进行有效的防雷预防，而等电位连接技术的应用效果较为明显。应用此项防雷技术对引下线进行连接时，需要将地面防雷装置和引下线保持在相等水平的点位上，并在安装地面防雷装置时，使前面的电位和引下线连接的底线防雷系统产生相同的电位，此时就可以发挥等电位连接的防雷作用。如果遇到雷雨天气，等电位连接的防雷设备可产生瞬时电流，此时在防雷技术的作用下，可避免与金属设备之间出现雷击穿情况，有效保护了控制系统和仪表设备，使仪表系统不会因为雷击穿而发生不可挽回的损坏。为了有效防止石油化工的仪表系统出现雷击穿现象，在连接引下线时，需要仔细检查所有金属制品，比如生产设备、控制系统的仪器设备和其他设备中的金属组件，将这些金属设备连接成一个整体结构，再通过引下线将其中的电流分散到地下防雷装置中，从而起到分散防雷保护作用[4]。

3.3 屏蔽防雷措施

石油化工仪表系统较为复杂，其中包含了大量的半导体配件、集成电路及传递信号的电路线缆，在雷雨天气时，如果发生雷击中现象会产生瞬时电磁冲脉，这些瞬时电磁脉冲可以直接导入到半导体配件中，也有可能在电源线和信号线上发生瞬时的过电压波，在这两种情况下，所产生的电磁脉冲和过电压波都会顺延线路输送到仪表系统和电子设备中，进而影响仪表系统和电子设备的正常运行，使系统发生损坏或者失灵的情况。为了避免仪表系统发生以上情况，可将屏蔽防雷措施应用到系统之中，这样能够利用屏蔽体的防雷作用，阻挡或者降低电磁脉冲的能量传播，从而保证仪表系统的正常运行。仪表系统的防雷屏蔽可包含控制室屏蔽、现场仪表屏蔽、信号线和电源线屏蔽。

（1）控制室屏蔽。控制室内部的控制系统是仪表系统的重要组成部分，起着极为关键的作用，它能够灵敏地感受雷电产生的电磁脉冲，此时就需要格外注意此系统的屏蔽问题。仪表控制室是无窗结构，具有较强的封闭性，房屋墙壁是由钢筋构造而成，在钢筋交点位置进行电气连接，再与金属门框进行焊接，就可以构造成一个带门且有开口的屏蔽笼，也称之为法拉第笼，接着在控制室内墙壁上选择合适的位置，在四周墙壁上制作一圈保护接地环，在其中介入防雷地，此时接地环可与屏蔽笼进行良好的电气连接，从而对控制室进行防雷屏蔽保护作用。

（2）现场仪表屏蔽。在对现场仪表进行防雷保护时，可采用进出材质仪表箱或者仪表罩对仪表设备进行防雷屏蔽保护，仪表箱或仪表罩可与现场的金属设备进行等电位连接，再连接到防雷接地系统中，从而起到相应的雷电防护。

（3）信号线和电源线屏蔽。信号线和电源线在雷电的电磁脉冲作用下，会产生瞬态过压电波，为了避免过压电波的产生，可将经过屏蔽层的线缆应用在信号线和低压电源线之中。对瞬态过压电波进行雷电防御时，需要沿着信号线和电源线的屏蔽层进行多点接地，或者在信号线和电源线的首末两端位置进行接地。在进行多点接地时，极易受到低频电磁干扰，此时可在金属管内插入电缆，或者将双屏蔽电缆应用在信号线和电源线之中，采用这两种方式能够对外屏蔽层进行多点接地，对内屏蔽层可实现一端接地，不仅能增强信号线和电源性的安全性，还能使其避免受到低频电磁的干扰[5]。

对外部电缆进行走线槽时，可采用金属材质的线缆，并将双层屏蔽和接地措施应用到其中，对于I/O电缆、电源电缆、通信电缆在控制室外的铺设部分，需要先进行双层屏蔽，再将以上线缆进行埋地防护，特别是在控制室外的15m 范围内，一定要进行有效的屏蔽防雷措施。

3.4 接地防雷措施

在石油化工仪表系统中安装接地防雷措施，能够对人身和设备起到有效的雷电防护作用。接地防雷措施能够避免仪表系统的电子设备在雷电入侵情况下发生浪涌冲击作用，为低阻抗接地故障的电流提供回路通道。在雷电发生时，有可能在仪表设备上聚集静电，而接地防雷措施能够为电子设备创设低阻抗泄漏通道，同时，还能为有效保护仪表系统，为其提供低阻抗的公共信号参考点，将系统的电磁干扰降低至最小值。仪表控制系统的结构复杂，属于弱电系统，为了保证仪表控制系统不受雷电干扰，在接地系统中需采用独立地网系统，为了保持其独立性，需要和建筑物的防雷接地网和电气系统的接地网分开处理，此种方式能使仪表控制系统在正常情况下不受外界的干扰，但也存在一个弊端，如果建筑物和电气系统发生雷击现象，也有可能造成仪表系统的设备内外出现高电位差，在这种情况下极易造成设备损坏。在应用联合地网的过程中，可将仪表控制系统接地网、建筑物防雷接地网和电气系统的接地网构成统一的地网结构，有效解决点位反击问题，与此同时，还能保护接地网，减少接地电阻和电磁干扰，对于仪表控制系统的防雷保护起着十分关键的作用[6]。

3.5 安装浪涌保护器防雷措施

在石油化工仪表系统正常运行的过程中，如果遇到雷电天气有可能遭受雷击，此时雷击电流会进入到仪表控制系统，但是进入的电流高于仪表设备所能承受的电流值，很容易使系统内部的电子元件被击穿。为了避免以上情况的出现，可将浪涌保护器安装到仪表系统中，它能够在系统中起到自动检测作用，实时检测系统内部的电流值，如果电流值超过设备所能承受的范围就会进行自动切换，有效保护电流回路，将强大的雷击电流导入到地下防雷装置中，并对输出的电压进行科学合理的处理，将其控制在安全电压范围内。虽然这种方式不能防止雷击现象，但是可以尽最大程度保护仪表设备，使石油化工生产不受仪表设备损坏的影响。在浪涌保护器实际应用过程中，可以科学合理地控制电流回路，再利用此优势可对进入电力线和信号线的瞬态电压进行有效的限制，将其约束在较小的范围内，避免由于电压过高而发生雷击穿现象，同时还能对电子设备起到有效雷电防护作用。

3.6 规范布线防雷措施

在石油化工企业中所应用的仪表控制系统中，整体内部线路构造较为繁琐，而且系统还包含了各种仪表设备，传输线构造不尽相同。所以，使仪表控制系统具有规范合理化，能够有效降低应用过程中发生雷击风险。在安装线路的过程中，如果工作人员将各种不同型号的线路混乱地布置在一起，那么在系统运行过程中，会发生信号相互干扰的情况。一旦受到雷击灾害，仪表控制系统的线路就会被瞬时超大电流击穿，整个线路都会在相互干扰的作用下发生不同程度的损坏，而且这种损坏是不可逆转的。在雷击灾害下形成的设备损坏，会使起着核心作用的控制系统受到创伤，导致企业的仪表设备无法正常工作，影响石油化工的正常生产，还会增加企业的运行维修成本，拖延生产工期。因此，在对仪表控制系统进行布线时，需要严格按照相关标准要求和仪表系统的实际情况进行规范化操作，使布线具有科学合理性，最大程度减低雷电灾害的损坏率。

4 结束语

石油化工是促进我国国民经济快速增长的主要产业之一，仪表系统是石油化工生产的中心，对整个企业的生产运行起着极为重要的作用。为了保证石油化工正常生产运转，需要做好仪表系统的保护工作，尤其是加强雷电防御措施。在开展雷电防御过程中，应先认真分析雷电灾害对石油化工生产的影响和仪表控制系统存在的防雷隐患，再根据不同的问题制定科学合理的解决策略，做好直击防雷措施、等电位防雷措施、屏蔽防雷措施、接地防雷措施。在此基础上合理安装浪涌保护器和规范布线，使仪表系统更具安全可靠性，从而保证整个系统的正常运转，为石油化工生产奠定良好的基础。