周建華

（中原油田分公司 天然氣產(chǎn)銷廠，河南 濮陽(yáng)457162）

隨著工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，天然氣計(jì)量向智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。中原油田分公司天然氣產(chǎn)銷廠在采氣、輸氣等站場(chǎng)進(jìn)行了天然氣計(jì)量自動(dòng)化改造，但智能化程度高的儀表普遍存在絕緣強(qiáng)度低、承受過(guò)電壓和過(guò)電流能力差的特征，一旦儀表受到直擊雷侵入或其附近區(qū)域發(fā)生雷擊，雷電過(guò)電壓、過(guò)電流和脈沖電磁場(chǎng)會(huì)通過(guò)電源線、儀表信號(hào)線、電纜槽、穿線管等途徑到達(dá)儀表設(shè)備，影響了儀表的正常工作和安全運(yùn)行，如果防護(hù)不當(dāng)輕則使儀表設(shè)備工作失靈，重則使儀表設(shè)備永久性損壞，嚴(yán)重時(shí)還可能造成生產(chǎn)事故、人員傷亡。因此，天然氣集輸站場(chǎng)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須高度重視防雷設(shè)計(jì)。

1 天然氣流量自動(dòng)計(jì)量現(xiàn)狀

天然氣流量自動(dòng)計(jì)量是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)儀表取得天然氣的壓力、溫度、差壓、天然氣組分等參數(shù)，通過(guò)一定的計(jì)算方法得到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量。天然氣自動(dòng)計(jì)量組成模式有多種，該廠主要采用現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和后臺(tái)工控機(jī)、PLC組合的模式，數(shù)據(jù)處理由智能儀表、工控機(jī)或PLC完成，數(shù)據(jù)傳送采用RS－485總線方式，傳送協(xié)議根據(jù)需要分別采用HART協(xié)議、ROC協(xié)議、Modbus協(xié)議。智能儀表采用多參數(shù)儀表、單參數(shù)儀表、溫度傳感器等，由于微電子器件采用較多，使得其受惡劣天氣影響較大，也是因雷擊損害最多的儀表。

2 雷擊對(duì)儀表系統(tǒng)的危害形式

雷擊從形式上可分為直擊雷與感應(yīng)雷擊兩種，對(duì)儀表系統(tǒng)可能產(chǎn)生的危害形式劃分為下列幾種：

1）直擊雷。雷電直接擊中現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備或與之連接的管路，通常會(huì)損壞儀表的傳感器模件并且可能損壞變送器的電子線路板。雷電流在沿儀表支架流入大地的過(guò)程中，產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)磁場(chǎng)，能通過(guò)信號(hào)傳輸線路耦合到控制室電子設(shè)備內(nèi)，損壞電子設(shè)備。

2）感應(yīng)雷擊。包括靜電感應(yīng)和電磁脈沖輻射兩種。

a）靜電感應(yīng)。當(dāng)雷云來(lái)臨時(shí)，地面物體，尤其是導(dǎo)體會(huì)聚積大量電荷產(chǎn)生放電，放電電流若進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)儀表和用電設(shè)備，將造成設(shè)備損壞。

b）電磁脈沖輻射。雷電流在其通道周?chē)目臻g產(chǎn)生電磁場(chǎng)，向外輻射電磁波，耦合到控制室的計(jì)算機(jī)、儀表和現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表以及各類金屬導(dǎo)體上，產(chǎn)生感應(yīng)電壓或感生電流，造成設(shè)備故障或損壞以致控制系統(tǒng)失靈。

3）雷電過(guò)電壓侵入。直擊雷或雷電感應(yīng)都可能使導(dǎo)線或金屬管道產(chǎn)生過(guò)電壓，該雷電過(guò)電壓沿各種金屬管道、電纜槽、電纜線路可能將高電位引入儀表系統(tǒng)，造成干擾和破壞。

4）反擊。防雷裝置接閃時(shí)，強(qiáng)大的瞬間雷電流通過(guò)引下線流入接地裝置，由于大地電阻的存在，雷電電荷不能快速向大地釋放，必然會(huì)引起局部地電位上升（可能上百千伏）。如果儀表控制系統(tǒng)的接地體與該點(diǎn)沒(méi)有足夠安全距離，它們之間就會(huì)產(chǎn)生放電，造成反擊電流，可直接擊穿用電器的絕緣部分，會(huì)對(duì)儀表控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾乃至破壞。

5）其他因素對(duì)儀表的危害。由于大型設(shè)備啟停、切投等引起的電網(wǎng)波動(dòng)，所產(chǎn)生的電涌過(guò)電壓是目前電子系統(tǒng)最大的威脅，其危害的程度高于自然雷擊的程度。雷電過(guò)電壓、電涌過(guò)電壓，均歸于瞬態(tài)過(guò)電壓（瞬態(tài)電涌電流）的范疇之內(nèi)。

3 RS－485總線接口的抗雷擊技術(shù)

在自動(dòng)化領(lǐng)域，支持多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離、成本低和接收靈敏度高的RS－485總線得到了廣泛的應(yīng)用。RS－485總線采用平衡發(fā)送、差分接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來(lái)驅(qū)動(dòng)總線，具有抑制共模干擾的能力，接收器的輸入靈敏度為200mV，從而成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x方式。但是在實(shí)際工程中RS－485總線運(yùn)用仍然存在著很多問(wèn)題，如阻抗不連續(xù)、不支持環(huán)型或星型網(wǎng)絡(luò)以及共模過(guò)電壓等問(wèn)題，影響了工程的質(zhì)量。RS－485收發(fā)器工作電壓較低（5V左右），其差分輸入端對(duì)“地”的共模電壓允許在－7～＋12V之間，超過(guò)該范圍的瞬變過(guò)壓可能損壞器件。由于RS－485總線實(shí)行長(zhǎng)距離傳輸，因而極易因?yàn)槔讚舻仍蛞脒^(guò)電壓，雷電引發(fā)的瞬變過(guò)壓往往導(dǎo)致傳輸線上的多個(gè)RS－485收發(fā)器損壞，設(shè)備無(wú)法運(yùn)行。在有強(qiáng)烈的電涌能量出現(xiàn)時(shí)，甚至可以看到收發(fā)器爆裂、線路板焦糊的現(xiàn)象，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。故防雷措施是RS－485技術(shù)實(shí)際使用中必須考慮的問(wèn)題，也是提高系統(tǒng)可靠性的重要措施。引起瞬變過(guò)壓的來(lái)源通常是雷電、靜電放電、電源系統(tǒng)開(kāi)關(guān)干擾等，例如人體接觸芯片的引腳產(chǎn)生靜電放電，其電壓可以高達(dá)數(shù)十千伏，可使在工作中的器件產(chǎn)生閉鎖而不能運(yùn)行或使器件受損；而感應(yīng)雷在RS－485傳輸線上引起的瞬變過(guò)壓干擾，其能量可在瞬間燒毀連結(jié)傳輸線上的全部器件。一種半導(dǎo)體類氣體防雷管構(gòu)見(jiàn)的兩級(jí)防雷電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)RS－485接口的防雷擊和過(guò)壓保護(hù)，如圖1所示。

圖1 RS－485總線的兩級(jí)防護(hù)電路示意

當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，感應(yīng)過(guò)電壓由T與R端引入，G2，G3進(jìn)行共模防護(hù)，G1進(jìn)行差模保護(hù)，此時(shí)過(guò)電壓被大幅削弱到約500V左右，再經(jīng)過(guò)電阻R1，R2限流，TVS1／S2二次限壓后，到收發(fā)器的電壓被鉗制在6.8V左右，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)收發(fā)器的保護(hù)。

4 儀表系統(tǒng)防雷的主要措施

儀表系統(tǒng)防雷措施是多方面的，主要包括接閃、均壓、接地、屏蔽、分流等。這些措施必須綜合運(yùn)用，才能真正達(dá)到儀表系統(tǒng)的防雷。

4.1 接 閃

直擊雷的防護(hù)主要由建筑物的防雷裝置實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)儀表系統(tǒng)的防雷，應(yīng)和周?chē)奈塾凸薜仍O(shè)備的防雷措施一起設(shè)計(jì)。

4.2 均 壓

當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，在雷電瞬態(tài)電流所經(jīng)過(guò)的路徑上將會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電位升高，使該路徑與周?chē)慕饘傥矬w之間形成瞬態(tài)電位差。如果這種瞬態(tài)的電位差超過(guò)了兩者之間的絕緣耐受強(qiáng)度，就會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)的擊穿放電，該種擊穿放電能直接損壞儀表設(shè)備，也能產(chǎn)生電磁脈沖，干擾儀表系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為了消除雷電瞬態(tài)電流路徑與金屬物體之間的擊穿放電，可以將所有現(xiàn)場(chǎng)儀表的所有金屬外殼、構(gòu)架，生產(chǎn)裝置的金屬設(shè)備，儀表控制室內(nèi)的設(shè)備、組件和元件的金屬外殼、金屬設(shè)施連接在一起，并且與儀表控制室的防雷接地系統(tǒng)相連接，形成完善的等電位聯(lián)結(jié)。

4.3 接 地

接地主要有兩種措施：浮地、多點(diǎn)接地。

1）浮地。浮地是指儀表的工作地與建筑物的接地系統(tǒng)保持絕緣，這樣建筑物接地系統(tǒng)中的電磁干擾就不會(huì)傳導(dǎo)到儀表系統(tǒng)中，地電位的變化對(duì)儀表系統(tǒng)也無(wú)影響。但由于儀表的外殼要進(jìn)行保護(hù)接地，當(dāng)雷電較強(qiáng)時(shí)，儀表外殼與其內(nèi)部電子電路之間可能出現(xiàn)很高的電壓，將兩者之間絕緣間隙擊穿，造成電子線路損壞。

2）多點(diǎn)接地。多點(diǎn)接地是指儀表、PLC等設(shè)備的工作接地與保護(hù)接地分開(kāi)，這種接地方式的突出優(yōu)點(diǎn)是可以就近接地，接地線的寄生電感小。但是如果較強(qiáng)的雷電波通過(guò)保護(hù)地進(jìn)入系統(tǒng)，電子電路同樣會(huì)因承受高壓而損壞。

由于以上兩種接地方式都不能滿足防雷的需要，因而可以考慮將保護(hù)地與工作地相連接，并且接入防雷接地系統(tǒng)。

4.4 屏 蔽

石油化工儀表系統(tǒng)大量采用半導(dǎo)體器件、集成電路和傳遞信號(hào)的電纜，由雷擊產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁脈沖可以直接輻射到這些元器件上，也可以在電源或信號(hào)線上感應(yīng)出瞬態(tài)過(guò)電壓波，沿線路侵入電子設(shè)備，使電子設(shè)備工作失靈或損壞。利用屏蔽體來(lái)阻擋或衰減電磁脈沖的能量傳播是一種有效的防護(hù)措施。儀表系統(tǒng)的防雷屏蔽主要包括三個(gè)方面：控制室屏蔽、現(xiàn)場(chǎng)儀表屏蔽、信號(hào)線和電源線屏蔽。

1）控制室屏蔽?？刂剖覂?nèi)的控制系統(tǒng)是儀表系統(tǒng)的核心，對(duì)雷電產(chǎn)生的電磁脈沖十分敏感，需要特別注意其屏蔽問(wèn)題。將房屋墻壁中的結(jié)構(gòu)鋼筋交點(diǎn)處電氣連接，并與金屬門(mén)框焊接，構(gòu)成一個(gè)帶門(mén)開(kāi)口的屏蔽籠，在室內(nèi)沿墻壁四周再做一圈保護(hù)接地環(huán)，接地環(huán)與屏蔽籠進(jìn)行有效的電氣聯(lián)結(jié)。

2）現(xiàn)場(chǎng)儀表屏蔽?，F(xiàn)場(chǎng)儀表可采用金屬的儀表箱（罩）實(shí)現(xiàn)防雷屏蔽，儀表箱（罩）要與其他現(xiàn)場(chǎng)的金屬設(shè)施實(shí)現(xiàn)等電位聯(lián)結(jié)，并接入防雷接地系統(tǒng)。

3）信號(hào)線和電源線屏蔽。為了防止雷電電磁脈沖在信號(hào)或電源線路上感應(yīng)出瞬態(tài)過(guò)電壓波，所有的信號(hào)線及低壓電源線都應(yīng)采用有金屬屏蔽層的電纜。就瞬態(tài)過(guò)壓防護(hù)而言，需要信號(hào)線或電源線的屏蔽層沿線路多點(diǎn)接地或至少應(yīng)在線路的首、末兩端接地。當(dāng)采用多點(diǎn)接地后，各接地點(diǎn)之間的屏蔽層沿線路之間形成回路，低頻干擾電流的電磁場(chǎng)可能會(huì)有一部分透過(guò)屏蔽層，在電纜的芯護(hù)套回路產(chǎn)生低頻干擾，這就要求屏蔽層沿線路只能采取單點(diǎn)接地。為了防止由多點(diǎn)接地所產(chǎn)生的低頻干擾出現(xiàn)，可將電纜穿入金屬管內(nèi)或采用雙屏蔽電纜，將金屬管或雙屏蔽電纜的外屏蔽層采取多點(diǎn)接地，金屬管內(nèi)或雙屏蔽電纜的內(nèi)屏蔽層可以采用一端接地，這樣既保證安全，又有利于抑制低頻干擾。

4.5 分 流

分流是防雷的有效措施，就是在儀表系統(tǒng)的信號(hào)或通信回路以及儀表的電源部分采用電涌保護(hù)器（SPD），用以限制瞬態(tài)電壓和分走電涌電流。

5 結(jié)束語(yǔ)

該廠所在地每年5～7月份時(shí)常有雷雨天氣發(fā)生，由于雷擊事件具有隨機(jī)性，且放電時(shí)間極短（微秒級(jí)），在未做儀表防雷措施以前，每次打雷都會(huì)有部分儀表出現(xiàn)無(wú)法通信或無(wú)顯示。

原因分析：配電線路因雷擊跳閘產(chǎn)生的電涌過(guò)電壓造成共模電壓超過(guò)（－7～12V）使得CPU板中RS－485通信器件損害；雷擊產(chǎn)生的雷擊過(guò)電壓超過(guò)共模電壓可承受范圍（－7～12V）。

針對(duì)以上情況，在該站進(jìn)行了自動(dòng)化計(jì)量?jī)x表系統(tǒng)防雷改造，加裝了接閃桿防護(hù)直擊雷；將儀表間內(nèi)的設(shè)備、電纜槽、構(gòu)架、電纜金屬外皮接到防感應(yīng)雷的接地裝置上；對(duì)設(shè)備進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)；在電源總配電箱加裝電涌保護(hù)器；通信線路采用雙屏蔽電纜并全線穿管屏蔽防止雷電電涌入侵；在室外儀表接線箱內(nèi)加裝直流電源電涌保護(hù)器和RS－485信號(hào)電涌保護(hù)器。經(jīng)過(guò)以上改造，截至目前該站暫無(wú)因雷擊造成的儀表?yè)p害。

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