魏 丹

（國家能源集團 神華榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719300）

0 引言

雷擊是在一定情況下自然界產(chǎn)生的電磁輻射源，能向周圍環(huán)境發(fā)射巨大的電磁信號。因天氣原因發(fā)生雷擊時，僅在短短的瞬息微秒間便會產(chǎn)生至幾百千安的雷電流。產(chǎn)生的巨大電流會因為強大的物理變化，在放電通道的周圍環(huán)境生成強烈的瞬變電磁場。處于該磁場中的金屬導體因自身靈敏的導電特性，會感應出瞬態(tài)過電壓。相關(guān)研究者針對雷擊對電子設備造成的傷害，可以表明雷擊對電子設備的影響巨大，對實際的化工業(yè)生產(chǎn)過程的安全和效率產(chǎn)生一定影響。利用科學儀器的分析和計算，發(fā)現(xiàn)雷擊產(chǎn)生的中低量的瞬態(tài)過電壓會對電子設備的通訊和數(shù)據(jù)傳輸造成干擾，影響數(shù)據(jù)的儲存和利用，在一定情況下容易引起電子設備的失控。同時，雷擊產(chǎn)生的連續(xù)多次的瞬態(tài)過電壓會嚴重縮短電子設備的使用壽命，影響電子設備的工作性能，降低在實際生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)效率，還有可能造成安全隱患。在當代化工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)中，儀表系統(tǒng)具有不可替代的重要作用，被廣泛運用于實際的生產(chǎn)過程當中。但儀表系統(tǒng)自身在防雷技術(shù)上具有局限性，其絕緣能力低且易受電磁干擾，在雷電暴雨天氣中極為容易被干擾甚至損壞。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，神華榆林公司因地處雷暴區(qū)域，在2017年內(nèi)因受雷電影響造成的儀表設備損失達60多萬元。因此，化工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)積極采取有效的防雷保護措施是非常必要的。隨著生產(chǎn)方式的多樣化，實施有效的防雷技術(shù)已是大勢所趨。對此公司組織相關(guān)技術(shù)人員成立了防雷防靜電技術(shù)攻關(guān)小組，通過與廠家技術(shù)交流，并結(jié)合公司實際情況做好組織落實，以減小雷電造成的損失和影響，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，促進企業(yè)健康的可持續(xù)發(fā)展。

1 儀表設備防雷分析

1.1 雷擊對儀表設備帶來的破壞性

雷擊對儀表設備的破壞性危害主要有以下幾類：

1）雷電直擊

雷電直接擊中現(xiàn)場儀表設備及控制系統(tǒng)或與儀表相連的管路，直接對儀表系統(tǒng)的傳感器和變送器的電子線路造成影響甚至損壞。同時，雷電擊中儀表系統(tǒng)時，強大的雷電電流會沿著儀表金屬支架直流流入地面，產(chǎn)生強大的感應磁場。該磁場是破壞DCS等電子設備的主要原因，其主要傳導信號傳輸線路直達控制室，直接對相關(guān)電子設備造成影響?，F(xiàn)場熱電阻如果安裝在空闊地帶，DCS控制系統(tǒng)中熱電阻卡會被瞬間的高壓雷電擊壞。本公司2017年秋季的一場雷雨將循環(huán)水場的和利時DCS控制系統(tǒng)的兩塊熱阻卡擊壞。

2）雷電感應

雷電電流會產(chǎn)生磁場，其向外輻射電磁波，耦合到相應的儀表設備、控制室計算機等，產(chǎn)生強大感應電動勢或電流。如果儀表設備、計算機系統(tǒng)沒有泄放感應電的能力，電路板即會被擊穿損毀。

3）雷電過電壓侵入

生產(chǎn)儀器系統(tǒng)中導線和金屬管道在遭受雷電直擊或雷電感應時容易產(chǎn)生雷電過電壓，此過電壓沿著工廠中具有導電功能的各種金屬管道、電纜線路等引入儀表系統(tǒng)，對儀表系統(tǒng)功能的使用壽命造成影響。

4）雷電反擊

當雷電電流通過接地體時，強大的瞬間雷電電流通過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泄放，會造成電荷聚集，必然會引起局部地電位上升，提高了危險系數(shù)。所以，在實際的生產(chǎn)過程中，如果儀表控制系統(tǒng)的接地體與該點的距離過近，為滿足適當?shù)陌踩珬l件，二者之間的距離參數(shù)就會滿足放電條件，極易產(chǎn)生放電現(xiàn)象并產(chǎn)生反擊電流，直接從相反方向擊穿儀表設備，造成設備的失控和損壞，甚至會危害工人的生命安全，造成嚴重的安全隱患。

表1 榆林公司雷擊損毀情況Table 1 Lightning damage in Yulin Company

地處沙漠雷暴區(qū)域的神華榆林公司在2017年內(nèi)，因受雷電影響造成的儀表設備損失達60多萬元。儀表設備損壞情況見表1。

1.2 雷電防護措施存在的問題分析

面對這種情況，為保證儀表設備長周期穩(wěn)定運行，公司成立了防雷防浪涌技術(shù)攻關(guān)小組，針對以往發(fā)生的雷擊事故，分析總結(jié)出公司雷電防護措施存在如下問題：

1）防雷接地裝置老舊破損，自然腐蝕嚴重，降低傳導雷電電流的效率，延長引導電流流入地面時間。

2）投用的儀表系統(tǒng)中的部分金屬裝置和框架沒有接地，或者接地連線狀況問題較為嚴重。

3）儀表設備和電纜的屏蔽存在問題，儀表保護地漏接或松動。

4）引下線和儀表系統(tǒng)的電纜線分布不科學。

5）儀表地處位置較為空曠，易受到雷擊影響。

2 解決方案與措施

自動控制儀表行業(yè)防雷保護對象主要分為：

1）供電電源：涵蓋為控制室各DCS、SIS、PLC等控制系統(tǒng)提供電源的市電及UPS供電、分配至現(xiàn)場220V交流空開電源，24V開關(guān)直流穩(wěn)壓電源。

2）控制系統(tǒng)各類I/O卡件：包括熱電阻熱偶卡、模擬量輸入輸出卡、數(shù)字量輸入輸出卡、通訊卡、現(xiàn)場總線接口卡、機籠等。

3）現(xiàn)場設備：各類兩線制四線制流量儀表、壓力儀表、液位儀表、熱電偶、秤重設備等儀器儀表。

為解決公司儀表防雷擊的問題，儀表專業(yè)通過與MTL、ABB、菲尼克斯先后進行了防雷防浪涌的技術(shù)交流，廠家均給出了詳細方案。

圖1 浪涌保護器接地Fig.1 Grounding the surge protector

2.1 浪涌保護器安裝與選擇

2.1.1 浪涌保護器的安裝及注意事項

1）成對安裝

安裝浪涌保護器是化工企業(yè)在實際的生產(chǎn)運用過程中的儀表的重要防雷措施。浪涌保護器一般安裝在現(xiàn)場儀表側(cè)和二次儀表或DCS接線端子側(cè)，為了更高效地發(fā)揮其工作效能，工廠一般采取成對運用的方式安裝。如果現(xiàn)場儀表需要加裝防浪涌設備，不僅信號回路要加裝浪涌設備，電源側(cè)同樣需要加裝，尤其是220V交流供電。

2）浪涌保護器與儀表系統(tǒng)需要同一接地點

高效的運用好浪涌保護器，要求浪涌保護器與儀表系統(tǒng)之間的電勢差為零，即需要二者始終保持相等電位。為達到高效的防雷效果和防浪涌生產(chǎn)，相關(guān)工作人員應設計一套囊括整個產(chǎn)區(qū)的等電位地控制系統(tǒng)。若因工廠自身條件的局限性，無法實現(xiàn)整個廠區(qū)的等電位地，則應因地制宜，有效地將浪涌保護器與被保護的設備同地。

圖1中左側(cè)圖，浪涌設備與被保護設備不在同一個地，則會大大消減對設備的保護。因為浪涌保護器放電時，浪涌保護器的電勢隨著電流的升高而升高，而設備本身的電勢沒有變化，因而會形成電勢差，將危害被保護設備。而右圖中，由于浪涌保護器與設備在一個地，即便由于浪涌設備放電會導致電勢升高，但不存在電勢差，設備被有效保護。浪涌保護器的接地線與被保護設備的接地線要盡快相連，且時間越早效果越好，即所謂星型地線連接原則。二者相連時要選擇功能相應的接電線相連，保護I/O卡的浪涌保護器的接地線應盡早與I/O卡的地線連接；保護穩(wěn)壓電源的浪涌保護器的接地線應盡早與穩(wěn)壓電源的地線連接。然后，再接往電氣總接地電極。

3）現(xiàn)場儀表安裝電纜需帶金屬屏蔽層，且屏蔽層需單點在控制室機柜間做好接地，對無屏蔽層、屏蔽層損壞有斷點的電纜需重新敷設，不留死角。現(xiàn)場儀表側(cè)的儀表線路屏蔽層進行絕緣處理，且保證屏蔽層必須穿入儀表外殼內(nèi)。

4）儀表控制系統(tǒng)機柜間需增設防靜電手環(huán)，在進行系統(tǒng)卡件插拔更換前將人體靜電釋放。

2.1.2 浪涌保護器的選擇

通過多次技術(shù)交流討論，結(jié)合公司各機柜間實際布置圖及現(xiàn)場安裝位置，采用菲尼克斯浪涌保護器。

1）針對現(xiàn)場儀表

一是在兩線制變送器信號側(cè)增加S-PT系列浪涌保護器，此保護器并聯(lián)在信號線上，外觀是全不銹鋼，即省掉再加電源線的設置，又可將浪涌保護器裸露在外邊，而且電氣接口與現(xiàn)場儀表一致，不用再制作轉(zhuǎn)換接頭；二是對無源輸出信號線增加6cm寬度TTC系列浪涌保護器，并使保護器可靠接地。

2）現(xiàn)場四線制儀表（24V信號顯示和220V電源回路）的稱重傳感及流量設備

① 檢查所有外場儀表接地，并保證接地電阻小于4Ω。對于接地電阻在4Ω的流量表，尤其安裝地處于空闊地帶，現(xiàn)場重新深挖接地電纜溝，采用接地銅排的方式直接連至電氣的公共接地端。循環(huán)水的原區(qū)進水流量計為GE超聲波流量計，在2017年的雷擊過程中先后燒壞過兩塊控制板，多次檢查均沒有找到問題點。與防浪涌廠家技術(shù)交流，懷疑是接地深度不夠，再次檢查發(fā)現(xiàn)接地不合格，因此采用深挖接電線銅排直連電氣的方式，耐受住了2018年3次較大雷雨天氣的襲擊。

② 針對四線制220V交流供電儀表，選用支持在線熱插拔更換損壞模塊，具備故障指示及遙信報警VAL系列220V浪涌保護器，并保證防浪涌器可靠接地。

③ 整改儀表設備接地線纜到接地匯流排線纜長度不要超過1m。

3）儀表機柜間

控制系統(tǒng)卡件接線端子前端增加信號類浪涌保護器：AI/AO菲尼克斯浪涌保護器TTC-6-1×2-M-24DC-UT-I（24VDC）；485浪涌保護器通迅菲尼克斯TTC-6-3-HF-M-12DC-UT-I（12VDC）保護信號回路；DI/DO菲尼克斯浪涌保護器 TTC-6-2×1-M-24DC-UT-I（24VDC）。

TTC系列產(chǎn)品能帶負載電流為600mA，具有安全脫扣和狀態(tài)報警指示功能。無源的狀態(tài)指示，可以在線更換被雷擊損壞的模塊，而且寬度只有6mm，很好地適應了機柜內(nèi)空間問題。同時，自帶報警功能，難以較容易地識別出浪涌保護器的使用狀態(tài)。

4）電源220VAC現(xiàn)場供電回路機房配電側(cè)

機房配電側(cè)，每一路220VAC供電回路加裝采用支持在線熱插拔VAL系列保護器，并可靠接地。

改造后，增加接地措施以及增加防雷浪涌保護器后的儀表回路，如圖2所示。

2.2 增設浪涌保護器方法及步驟

2.2.1 安裝注意事項

1）無聯(lián)鎖邏輯的信號，與工藝協(xié)商，開具作業(yè)票，直接拆除信號線后安裝防浪涌保護器。

2）參與聯(lián)鎖邏輯的信號，與工藝協(xié)商，開具作業(yè)票，先摘除聯(lián)鎖信號，然后拆除信號線后安裝防浪涌保護器。

圖2 防雷改造后的儀表回路Fig.2 The instrument circuit after lightning protection transformation

2.2.2 安裝信號類型

1）按照全廠儀表布置圖，選擇安裝在空闊地點及全廠重要儀表生成安裝防雷防浪流涌儀表一覽表，現(xiàn)場儀表到機柜側(cè)的信號線，在機柜間第一道端子處增設防浪涌保護器；現(xiàn)場變送器則并聯(lián)防浪涌保護器。

2）通訊點：現(xiàn)場PLC等控制系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)之間的所有通訊信號增設防浪涌保護器，其中罐有4套通訊設備；MTO裝置有5套通訊設備；LOUR裝置有5套通訊設備；棧橋有4套通訊設備；PP裝置有10套通訊設備；LDPE裝置有16套通訊設備；污水有7套通訊設備；動力有16套通訊設備；循環(huán)水有7套通訊設備。

2.2.3 方法及步驟

1）現(xiàn)場信號進入DCS系統(tǒng)卡件前，增設防浪涌保護器。拆除機柜間現(xiàn)場側(cè)接線端子后，在拆除端子的位置處安裝浪涌保護器，按照浪涌保護器的接線方式將拆除端子的信號線恢復接線。所有接線端子在接線前穿好打印的線標，并將儀表接線一覽表進行實時更新。

2）現(xiàn)場PLC等控制系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)之間的通訊信號，分別在各自系統(tǒng)的機柜側(cè)增設防浪涌保護器。分別拆除各自機柜側(cè)通訊信號接線端子，在拆除端子的位置處安裝浪涌保護器，按照浪涌保護器的接線方式將拆除端子的信號線恢復接線。

3）接地方式：由于浪涌保護器的接地端與導軌用金屬連接，故在同一導軌安裝的浪涌保護器其接地方式直接采用導軌與柜內(nèi)接地匯流條連接方式，接地線總長度不超過1m。

4）現(xiàn)場并聯(lián)浪涌器時，先對浪涌器接線端用U型接線端子壓好線，再并聯(lián)至回路中。

5）對于PE裝置脈沖控制器，其DI/DO信號是與DCS及SIS系統(tǒng)相連，介于在2017年秋季一場大雨中被雷擊壞了兩塊數(shù)字板，因而對DI/DO信號在中央控制室側(cè)第一道端子也增加了TTC-6-1×2-M-24DC-UT-I（24VDC）保護器，AI/AO信號增加MTL系列隔離安全柵。

6）對回路的精度進行檢查測試

模擬輸入點（4mA～20mA信號）：在控制站模擬輸入卡一側(cè)，拆除被測點接線，接入信號發(fā)生器的輸出端，依次送入量程的0%、50%、100%對應的毫安信號，在操作站的點細目畫面、流程圖畫面觀察并記錄PV值，將結(jié)果填入點檢記錄單，以測試增加保護器的精度是否符合要求。

DI/DO點：DI信號短接測試，DO信號輸出側(cè)電壓，響應速度是否達到要求。

2.3 增加相應防雷防浪涌制度、巡檢頻次

1）完善儀表防雷防靜電管理規(guī)章制度、臺帳記錄，增加防浪涌保護器更換記錄。

2）按照要求，現(xiàn)場儀表的金屬外殼、儀表保護箱、接線箱及機柜的金屬外殼應就近接地或與接地的金屬體相連接。

現(xiàn)場防雷防靜電設施，包括防雷防靜電接地、靜電跨接、儀表設備的工作接地、保護接地及信息接地等設施是否完好，對儀表靜電接地裝置進行定期檢測。對不合格、不安全接地進行整改，完成后再做相應檢測。

3）對增加的防浪涌設備進行周期巡檢，在雷雨前、雷雨后增加巡檢頻次；對有報警的設備，立即組織人員進行更換。

4）按照相應規(guī)范，對防爆區(qū)域的所有儀表的保護地進行完善及檢查，對其有松動、銹蝕的接地線進行緊固及除銹；其它區(qū)域供電為36V以上的儀表沒有保護地的進行敷設及完善。

3 結(jié)束語

本公司現(xiàn)場及機柜間儀表設備經(jīng)過防雷措施改造，在2018年期間此地共發(fā)生較大雷暴雨有3次，均未造成儀表損壞或示值波動。

通過公司現(xiàn)場儀表防雷浪涌保護改造的實例說明，在中國當代的化工企業(yè)中儀表防雷防浪涌設備的安裝及運用非常重要，在各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中都起到不可替代的重要作用。這些項目的運用同時對公司后序項目提供有利支持，可在設計施工階段提前部署，避免同類型雷擊儀表損毀事件的發(fā)生，做到事前預防，從而降低非計劃停車次數(shù)，保證各裝置儀表長周期平穩(wěn)運行，促進企業(yè)長久健康的可持續(xù)發(fā)展。