欒家斌

（大連化工研究設(shè)計(jì)院，遼寧大連 116023）

關(guān)于化工裝置儀表自控系統(tǒng)防雷的論述

欒家斌

（大連化工研究設(shè)計(jì)院，遼寧大連 116023）

介紹了雷電對(duì)化工企業(yè)儀器儀表及控制系統(tǒng)造成的危害和影響，簡(jiǎn)要說(shuō)明化工企業(yè)儀表自控系統(tǒng)的防雷體系，闡述儀表自控系統(tǒng)防雷的對(duì)策和措施。

浪涌保護(hù)；接閃；均壓；屏蔽；分流

近年來(lái)，儀器儀表的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)在化工行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，儀表自控系統(tǒng)正向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向迅猛發(fā)展，而由于儀器儀表等設(shè)備過(guò)電壓和過(guò)電流耐受能力差、對(duì)電磁干擾敏感等弱點(diǎn)，雷電對(duì)儀表自控系統(tǒng)所構(gòu)成的威脅日益增大，雷電過(guò)電壓、過(guò)電流和脈沖電磁場(chǎng)會(huì)通過(guò)儀表信號(hào)回路、供電回路、電纜匯線(xiàn)槽、穿線(xiàn)管等途徑到達(dá)儀器儀表設(shè)備，威脅儀表自控系統(tǒng)的正常工作和安全運(yùn)行。因此，在現(xiàn)代化工儀表自控系統(tǒng)中合理的防范雷電變得尤為重要。

1 雷電對(duì)儀表自控系統(tǒng)的危害和影響

化工企業(yè)常常因?yàn)樵馐芾讚?，造成儀表自動(dòng)化控制系統(tǒng)癱瘓，使企業(yè)蒙受經(jīng)濟(jì)損失。一般的防雷措施主要是采用分流法，通過(guò)在儀表自控系統(tǒng)的信號(hào)回路等安裝浪涌保護(hù)器（Surge Protective Device），以達(dá)到限制瞬間過(guò)電壓和過(guò)電流的目的。但是單位SPD的特點(diǎn)是只能為回路的局部提供保護(hù)，例如安裝在DCS系統(tǒng)控制室的單通道SPD只能對(duì)DCS系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的卡件通道提供保護(hù)；安裝在現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)變送通道的SPD只能對(duì)變送器提供保護(hù)。如果每個(gè)I／O通道都安裝SPD，這樣不僅會(huì)大幅度增加企業(yè)成本，而且SPD的故障率也會(huì)導(dǎo)致整套儀表自控系統(tǒng)的維修率大大增加。因此，化工企業(yè)通常僅在一些相對(duì)重要的場(chǎng)合使用浪涌保護(hù)器，不能全面較好地解決化工儀表自控系統(tǒng)的防雷問(wèn)題。

1.1 直接雷擊

所謂直接雷擊就是在雷電活動(dòng)區(qū)內(nèi)，雷電直接通過(guò)人體、建筑物、設(shè)備等對(duì)地放電所產(chǎn)生的電擊現(xiàn)象。在化工企業(yè)中，雷電直接擊中現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表設(shè)備，進(jìn)而造成儀器儀表傳感器或變送器的電子線(xiàn)路損壞。

1.2 感應(yīng)雷擊

所謂感應(yīng)雷擊就是雷電并未擊中儀表自控系統(tǒng)中的任何部分，雷擊導(dǎo)線(xiàn)或儀器儀表設(shè)備附近時(shí)，由于靜電和電磁感應(yīng)而在導(dǎo)線(xiàn)或儀器儀表設(shè)備上形成過(guò)電壓的現(xiàn)象。

1）靜電感應(yīng)。雷電來(lái)臨時(shí)，由于雷云電場(chǎng)的作用，地面金屬類(lèi)線(xiàn)纜導(dǎo)體被感應(yīng)出大量電荷，接閃后大量電荷產(chǎn)生放電，由于瞬間電量極大，形成很高的電位差，放電電流若進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表等設(shè)備，便會(huì)造成設(shè)備損壞。

2）電磁感應(yīng)脈沖輻射。當(dāng)接閃器發(fā)生接閃時(shí)，巨大的雷電流將瞬間流過(guò)接地引下線(xiàn)，并在引下線(xiàn)周?chē)a(chǎn)生巨大的瞬變電磁場(chǎng)，并向外輻射電磁波，處在該電磁場(chǎng)中的金屬類(lèi)導(dǎo)體就會(huì)感應(yīng)出較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如果有回路便會(huì)在回路中產(chǎn)生較大的浪涌電流，從而造成儀器儀表設(shè)備故障，導(dǎo)致儀表自控系統(tǒng)失靈。

1.3 電涌引入

直接雷擊或感應(yīng)雷電都可以使金屬類(lèi)導(dǎo)線(xiàn)及金屬管道產(chǎn)生過(guò)電壓，過(guò)電壓涌入可以發(fā)生在供電回路或信號(hào)回路中，造成供電回路供電質(zhì)量下降，信號(hào)回路中芯線(xiàn)與芯線(xiàn)及屏蔽層之間產(chǎn)生橫、縱向過(guò)電壓，并通過(guò)耦合干擾和破壞信號(hào)回路中所連接的儀器儀表設(shè)備。

1.4 反擊

接閃器接閃時(shí)，巨大的瞬間過(guò)電流將通過(guò)引下線(xiàn)引入接地極，雷電流在釋放過(guò)程中，連接導(dǎo)體上產(chǎn)生的高電壓將對(duì)其周?chē)渌矬w產(chǎn)生電擊，這種現(xiàn)象稱(chēng)為雷電反擊。由于大地具有一定的電阻，雷電流向大地釋放必然會(huì)有一個(gè)過(guò)程，在該釋放過(guò)程中，局部地電位將瞬間提高，如果兩套接地極系統(tǒng)沒(méi)有設(shè)計(jì)足夠的安全距離，接地極之間就會(huì)產(chǎn)生極高電位差，形成巨大的瞬間反擊電流，直接對(duì)儀表自動(dòng)化控制系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的破壞。

2 儀表自控系統(tǒng)的防雷措施

2.1 接閃

接閃設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)儀表自控系統(tǒng)控制室及現(xiàn)場(chǎng)工藝裝置的結(jié)構(gòu)形式等各種相關(guān)因素，綜合全面地考慮防雷措施。例如現(xiàn)場(chǎng)儀表自控系統(tǒng)的防雷，應(yīng)和周?chē)墓に囇b置等防雷措施一起設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)際情況考慮采用的接閃器類(lèi)別（避雷針、避雷帶或避雷網(wǎng)）。

2.2 均壓

為防止瞬態(tài)電流流經(jīng)導(dǎo)體與其周?chē)饘傥矬w之間的反擊放電，導(dǎo)致儀器儀表設(shè)備的損壞，干擾儀表自控系統(tǒng)的正常運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)將穿越防雷保護(hù)區(qū)的儀表自控系統(tǒng)控制室的地面墻面、儀器儀表、設(shè)備管線(xiàn)、工藝裝置等進(jìn)行等電位連接，并且與儀表自控系統(tǒng)控制室的防雷接地系統(tǒng)相連接，以形成比較完善的等電位連接。

2.3 接地

接地是雷電防護(hù)措施中的重要程序，要全面考慮各種因素，使接地系統(tǒng)能夠保證電勢(shì)陡度最小，盡可能達(dá)到均衡電位的效果。對(duì)于浮地、多點(diǎn)接地等防雷接地措施，如遇較強(qiáng)雷擊時(shí)，由于儀表或DCS設(shè)備外殼保護(hù)接地，儀表或DCS設(shè)備外殼與其內(nèi)部電路之間將會(huì)形成較高的電位差，將兩者的絕緣間隙擊穿，對(duì)電路造成破壞。因此，可以將保護(hù)接地與工作接地連接起來(lái)，并接入全廠防雷接地系統(tǒng)。

2.4 屏蔽

由于化工儀表自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用大量的半導(dǎo)體元器件、集成電路以及電力、信號(hào)傳輸電纜，因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表及控制室的屏蔽，不僅要考慮直接雷擊的危害，還應(yīng)考慮雷擊所產(chǎn)生的電磁脈沖輻射的影響。雷擊產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁脈沖可以直接輻射到這些元器件上，也可以在供電或信號(hào)電纜上感應(yīng)出瞬態(tài)過(guò)電壓波，沿電纜回路侵入儀器儀表設(shè)備，從而對(duì)儀器儀表設(shè)備造成破壞。通過(guò)使用屏蔽體進(jìn)行衰減或阻擋電磁脈沖的能量傳播是一種有效的防護(hù)措施。儀表自動(dòng)化控制系統(tǒng)的防雷屏蔽主要包括以下3個(gè)方面。

1）現(xiàn)場(chǎng)儀表屏蔽

現(xiàn)場(chǎng)儀表采用金屬材質(zhì)的儀表保護(hù)箱實(shí)現(xiàn)防雷屏蔽，儀表保護(hù)箱接入全廠防雷接地系統(tǒng)。

2）控制室屏蔽

儀表自動(dòng)化控制系統(tǒng)的控制室對(duì)雷電所產(chǎn)生的電磁脈沖具有較強(qiáng)的敏感度。因此，應(yīng)對(duì)儀表控制室墻壁中的鋼筋結(jié)構(gòu)交點(diǎn)進(jìn)行電氣連接，構(gòu)成屏蔽籠，并且在室內(nèi)四周沿墻壁再做一圈保護(hù)接地環(huán)，同時(shí)接地環(huán)與屏蔽籠應(yīng)進(jìn)行有效的電氣連接，最后接入全廠防雷接地系統(tǒng)。

3）信號(hào)回路和電源回路屏蔽

為防止雷電電磁脈沖在信號(hào)回路或供電回路上感應(yīng)出瞬態(tài)過(guò)電壓，所有的供電回路及信號(hào)回路都應(yīng)采用具有金屬屏蔽層的電纜。同時(shí)由于屏蔽層多點(diǎn)接地將會(huì)在電纜的纜芯與護(hù)套間產(chǎn)生低頻干擾，因此屏蔽層沿線(xiàn)只能采取單點(diǎn)接地。為此，供電回路及信號(hào)回路應(yīng)采用雙屏蔽電纜，其內(nèi)屏蔽層可以采用單點(diǎn)接地，外屏蔽層可以采用多點(diǎn)接地。

2.5 分流

由于發(fā)生接閃時(shí)，雷電流主要通過(guò)分流和感應(yīng)兩種方式釋放，因此通過(guò)設(shè)置合理數(shù)量的防雷引下線(xiàn)，使分流后的雷電流變小，從而將發(fā)生雷電反擊和感應(yīng)的影響范圍降至最低。

2.6 綜合布線(xiàn)

儀表自動(dòng)化控制系統(tǒng)控制室與現(xiàn)場(chǎng)工藝裝置之間的信號(hào)電纜、供電電纜以及電子通訊線(xiàn)應(yīng)該合理布局，設(shè)計(jì)合理間距，減小各種電纜之間的耦合程度。根據(jù)“趨膚效應(yīng)”，當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，愈靠近導(dǎo)體表面，電流密度愈大。因此，綜合布線(xiàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)將信號(hào)電纜的屏蔽層做好接地，感應(yīng)電荷就會(huì)被及時(shí)導(dǎo)入大地，從而保證了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?/p>

TU 895；TQ 086.1

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1005－8370（2012）01－21－02

2011－10－20