劉玉豪

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)研發(fā)中心，天津 300452）

1 雷擊對(duì)石油化工生產(chǎn)的影響

1）雷電直擊影響。雷電直擊發(fā)生的時(shí)間極短，但是造成的影響較為嚴(yán)重，能夠直接破壞儀表設(shè)備線路，尤其在強(qiáng)大的電流作用下，會(huì)導(dǎo)致石油化工儀表傳感器膜件受損，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)線路無(wú)法工作，使儀表控制系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。在雷電直擊后，還會(huì)引發(fā)火災(zāi)安全事故，嚴(yán)重威脅工作人員的人身安全，而且還需要支出較大維修成本，不利于提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

2）雷電感應(yīng)影響。雷電感應(yīng)，又稱位置應(yīng)感雷，它能對(duì)石油化工企業(yè)的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)造成不同程度的影響。雷電感應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)程中，在地面物體上會(huì)分布較為聚集的電荷，特別是呈尖端性狀的一些物體，極易在尖端位置形成聚集分布，當(dāng)大量的電荷積累到一定程度時(shí)，就會(huì)發(fā)生電荷放電情況。當(dāng)電荷進(jìn)入到儀表系統(tǒng)時(shí)，就會(huì)造成系統(tǒng)出現(xiàn)損壞問(wèn)題，同時(shí)電磁脈沖也會(huì)同步出現(xiàn)，引發(fā)不同程度的輻射問(wèn)題。在此過(guò)程中，電磁波會(huì)向外部發(fā)生輻射，有可能干擾儀表系統(tǒng)的正常運(yùn)行，導(dǎo)致儀表系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流等問(wèn)題，引起儀器設(shè)備發(fā)生一系列的故障問(wèn)題。

3）電壓影響。電壓對(duì)石油化工所帶來(lái)的生產(chǎn)問(wèn)題，是在雷電直接或者雷電感應(yīng)的影響下，使金屬管內(nèi)部發(fā)生電壓變化，如果高電位的電壓進(jìn)入到石油化工的儀表系統(tǒng)時(shí)，會(huì)使金屬管道和電線線路的電壓發(fā)生變化，不僅會(huì)使儀表系統(tǒng)受到電磁干擾，還有可能發(fā)生損壞現(xiàn)象。

2 石油化工儀表系統(tǒng)的防雷隱患

石油化工可包含PLC 控制系統(tǒng)、DCS 控制系統(tǒng)和FCS 控制系統(tǒng)，這三種控制系統(tǒng)都具有防雷保護(hù)功能，而且防雷保護(hù)功能和儀表系統(tǒng)的類型、電壓有著極為密切的關(guān)系。儀表設(shè)備在應(yīng)用過(guò)程中存在著很多不足之處，比如沒(méi)有良好的絕緣性能、不具備較強(qiáng)的耐受力等，如果遇到雷雨天氣或者直接遭受雷擊，都會(huì)對(duì)儀表系統(tǒng)造成一定程度的損壞，而后續(xù)產(chǎn)生的后果有可能是無(wú)法估量的，輕則只損壞儀表系統(tǒng)，無(wú)法正常運(yùn)行或者需要更換新設(shè)備，重則發(fā)生安全事故，造成人員傷亡。DSC 控制系統(tǒng)是石油化工儀表系統(tǒng)的主要組成部分，對(duì)整個(gè)石油生產(chǎn)起著重要的指揮作用，但是DSC 控制系統(tǒng)的構(gòu)成較為復(fù)雜，而且不具備抗干擾性，是一個(gè)弱電控制系統(tǒng)，因此遇到雷雨惡劣天氣，就很容易發(fā)生雷擊情況，此時(shí)儀表設(shè)備會(huì)受到不同程度的損壞，也有可能在雷電的入侵下，整個(gè)DSC 控制系統(tǒng)無(wú)法繼續(xù)正常工作，極大降低了石油化工的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。在對(duì)石油化工進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)時(shí)，大多將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在供配電系統(tǒng)之上，比較側(cè)重于供配電系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)，對(duì)DCS 控制系統(tǒng)和該系統(tǒng)的儀表設(shè)備的二次防雷設(shè)計(jì)有所忽視，導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行時(shí)DCS 控制系統(tǒng)極易受到雷擊損壞。從目前DCS 控制系統(tǒng)和該系統(tǒng)儀表設(shè)備發(fā)生雷擊的情況來(lái)看，導(dǎo)致雷擊的主要是兩種原因，即地電位反擊和雷電感應(yīng)，而這兩種情況采用分流法進(jìn)行防雷預(yù)防。在進(jìn)行雷電防御過(guò)程中，可在DCS 控制系統(tǒng)的回路通道上安裝浪涌保護(hù)器，這樣不但能保護(hù)DCS 控制系統(tǒng)的供電電源和通信回路等，還能保證儀表設(shè)備正常發(fā)揮信號(hào)，但是只能在某個(gè)回路通道上安裝浪涌保護(hù)器，以此來(lái)起到局部保護(hù)作用，并不能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的回路和通道進(jìn)行保護(hù)，因此適用于局部保護(hù)儀表系統(tǒng)，對(duì)于整個(gè)儀表系統(tǒng)沒(méi)有較為顯著的防雷保護(hù)效果[2]。

3 石油化工儀表系統(tǒng)防雷技術(shù)分析

3.1 直擊雷防護(hù)措施

在對(duì)石油化工進(jìn)行直擊雷防護(hù)措施時(shí)，可有效保護(hù)該區(qū)域的地面建筑物和室內(nèi)儀器設(shè)備，避免它們發(fā)生雷擊損壞，因此，直擊雷防護(hù)措施是一項(xiàng)較為基礎(chǔ)的防雷手段。此種防雷技術(shù)的應(yīng)用需要在地面的控制室上方選擇合適位置，在此位置安裝避雷裝置或者設(shè)計(jì)相應(yīng)的避雷帶。在進(jìn)行安裝時(shí)，需要根據(jù)安裝地點(diǎn)的實(shí)際情況選擇合適的安裝方式。如果地面控制室是獨(dú)立性的建筑物，則需采用設(shè)計(jì)避雷帶方式，此方式可與地下線路進(jìn)行連接，將雷電現(xiàn)象帶來(lái)的雷電沖擊力傳輸?shù)降孛?，從而分散雷擊損壞，起到有效的雷電防護(hù)作用；如果地面控制室和生產(chǎn)線在同一建筑物中，不具有相對(duì)的獨(dú)立性，那么需考慮安裝避雷裝置是否會(huì)影響到石油化工成產(chǎn)及其生產(chǎn)環(huán)境。在避雷裝置和引下線進(jìn)行連接時(shí)，應(yīng)避免和控制室、生產(chǎn)線的電路連接，盡量防止電路之間出現(xiàn)相互交錯(cuò)的情況，這樣能夠有效避免發(fā)生電磁感應(yīng)，從而起到直擊雷防護(hù)效果[3]。

3.2 等電位連接防護(hù)措施

石油化工企業(yè)在應(yīng)用防雷技術(shù)時(shí)，需要對(duì)企業(yè)的建筑物和地面控制系統(tǒng)進(jìn)行有效的防雷預(yù)防，而等電位連接技術(shù)的應(yīng)用效果較為明顯。應(yīng)用此項(xiàng)防雷技術(shù)對(duì)引下線進(jìn)行連接時(shí)，需要將地面防雷裝置和引下線保持在相等水平的點(diǎn)位上，并在安裝地面防雷裝置時(shí)，使前面的電位和引下線連接的底線防雷系統(tǒng)產(chǎn)生相同的電位，此時(shí)就可以發(fā)揮等電位連接的防雷作用。如果遇到雷雨天氣，等電位連接的防雷設(shè)備可產(chǎn)生瞬時(shí)電流，此時(shí)在防雷技術(shù)的作用下，可避免與金屬設(shè)備之間出現(xiàn)雷擊穿情況，有效保護(hù)了控制系統(tǒng)和儀表設(shè)備，使儀表系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)槔讚舸┒l(fā)生不可挽回的損壞。為了有效防止石油化工的儀表系統(tǒng)出現(xiàn)雷擊穿現(xiàn)象，在連接引下線時(shí)，需要仔細(xì)檢查所有金屬制品，比如生產(chǎn)設(shè)備、控制系統(tǒng)的儀器設(shè)備和其他設(shè)備中的金屬組件，將這些金屬設(shè)備連接成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，再通過(guò)引下線將其中的電流分散到地下防雷裝置中，從而起到分散防雷保護(hù)作用[4]。

3.3 屏蔽防雷措施

石油化工儀表系統(tǒng)較為復(fù)雜，其中包含了大量的半導(dǎo)體配件、集成電路及傳遞信號(hào)的電路線纜，在雷雨天氣時(shí)，如果發(fā)生雷擊中現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)電磁沖脈，這些瞬時(shí)電磁脈沖可以直接導(dǎo)入到半導(dǎo)體配件中，也有可能在電源線和信號(hào)線上發(fā)生瞬時(shí)的過(guò)電壓波，在這兩種情況下，所產(chǎn)生的電磁脈沖和過(guò)電壓波都會(huì)順延線路輸送到儀表系統(tǒng)和電子設(shè)備中，進(jìn)而影響儀表系統(tǒng)和電子設(shè)備的正常運(yùn)行，使系統(tǒng)發(fā)生損壞或者失靈的情況。為了避免儀表系統(tǒng)發(fā)生以上情況，可將屏蔽防雷措施應(yīng)用到系統(tǒng)之中，這樣能夠利用屏蔽體的防雷作用，阻擋或者降低電磁脈沖的能量傳播，從而保證儀表系統(tǒng)的正常運(yùn)行。儀表系統(tǒng)的防雷屏蔽可包含控制室屏蔽、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)部的控制系統(tǒng)是儀表系統(tǒng)的重要組成部分，起著極為關(guān)鍵的作用，它能夠靈敏地感受雷電產(chǎn)生的電磁脈沖，此時(shí)就需要格外注意此系統(tǒng)的屏蔽問(wèn)題。儀表控制室是無(wú)窗結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的封閉性，房屋墻壁是由鋼筋構(gòu)造而成，在鋼筋交點(diǎn)位置進(jìn)行電氣連接，再與金屬門(mén)框進(jìn)行焊接，就可以構(gòu)造成一個(gè)帶門(mén)且有開(kāi)口的屏蔽籠，也稱之為法拉第籠，接著在控制室內(nèi)墻壁上選擇合適的位置，在四周墻壁上制作一圈保護(hù)接地環(huán)，在其中介入防雷地，此時(shí)接地環(huán)可與屏蔽籠進(jìn)行良好的電氣連接，從而對(duì)控制室進(jìn)行防雷屏蔽保護(hù)作用。

（2）現(xiàn)場(chǎng)儀表屏蔽。在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行防雷保護(hù)時(shí)，可采用進(jìn)出材質(zhì)儀表箱或者儀表罩對(duì)儀表設(shè)備進(jìn)行防雷屏蔽保護(hù)，儀表箱或儀表罩可與現(xiàn)場(chǎng)的金屬設(shè)備進(jìn)行等電位連接，再連接到防雷接地系統(tǒng)中，從而起到相應(yīng)的雷電防護(hù)。

（3）信號(hào)線和電源線屏蔽。信號(hào)線和電源線在雷電的電磁脈沖作用下，會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)過(guò)壓電波，為了避免過(guò)壓電波的產(chǎn)生，可將經(jīng)過(guò)屏蔽層的線纜應(yīng)用在信號(hào)線和低壓電源線之中。對(duì)瞬態(tài)過(guò)壓電波進(jìn)行雷電防御時(shí)，需要沿著信號(hào)線和電源線的屏蔽層進(jìn)行多點(diǎn)接地，或者在信號(hào)線和電源線的首末兩端位置進(jìn)行接地。在進(jìn)行多點(diǎn)接地時(shí)，極易受到低頻電磁干擾，此時(shí)可在金屬管內(nèi)插入電纜，或者將雙屏蔽電纜應(yīng)用在信號(hào)線和電源線之中，采用這兩種方式能夠?qū)ν馄帘螌舆M(jìn)行多點(diǎn)接地，對(duì)內(nèi)屏蔽層可實(shí)現(xiàn)一端接地，不僅能增強(qiáng)信號(hào)線和電源性的安全性，還能使其避免受到低頻電磁的干擾[5]。

對(duì)外部電纜進(jìn)行走線槽時(shí)，可采用金屬材質(zhì)的線纜，并將雙層屏蔽和接地措施應(yīng)用到其中，對(duì)于I/O電纜、電源電纜、通信電纜在控制室外的鋪設(shè)部分，需要先進(jìn)行雙層屏蔽，再將以上線纜進(jìn)行埋地防護(hù)，特別是在控制室外的15m 范圍內(nèi)，一定要進(jìn)行有效的屏蔽防雷措施。

3.4 接地防雷措施

在石油化工儀表系統(tǒng)中安裝接地防雷措施，能夠?qū)θ松砗驮O(shè)備起到有效的雷電防護(hù)作用。接地防雷措施能夠避免儀表系統(tǒng)的電子設(shè)備在雷電入侵情況下發(fā)生浪涌沖擊作用，為低阻抗接地故障的電流提供回路通道。在雷電發(fā)生時(shí)，有可能在儀表設(shè)備上聚集靜電，而接地防雷措施能夠?yàn)殡娮釉O(shè)備創(chuàng)設(shè)低阻抗泄漏通道，同時(shí)，還能為有效保護(hù)儀表系統(tǒng)，為其提供低阻抗的公共信號(hào)參考點(diǎn)，將系統(tǒng)的電磁干擾降低至最小值。儀表控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于弱電系統(tǒng)，為了保證儀表控制系統(tǒng)不受雷電干擾，在接地系統(tǒng)中需采用獨(dú)立地網(wǎng)系統(tǒng)，為了保持其獨(dú)立性，需要和建筑物的防雷接地網(wǎng)和電氣系統(tǒng)的接地網(wǎng)分開(kāi)處理，此種方式能使儀表控制系統(tǒng)在正常情況下不受外界的干擾，但也存在一個(gè)弊端，如果建筑物和電氣系統(tǒng)發(fā)生雷擊現(xiàn)象，也有可能造成儀表系統(tǒng)的設(shè)備內(nèi)外出現(xiàn)高電位差，在這種情況下極易造成設(shè)備損壞。在應(yīng)用聯(lián)合地網(wǎng)的過(guò)程中，可將儀表控制系統(tǒng)接地網(wǎng)、建筑物防雷接地網(wǎng)和電氣系統(tǒng)的接地網(wǎng)構(gòu)成統(tǒng)一的地網(wǎng)結(jié)構(gòu)，有效解決點(diǎn)位反擊問(wèn)題，與此同時(shí)，還能保護(hù)接地網(wǎng)，減少接地電阻和電磁干擾，對(duì)于儀表控制系統(tǒng)的防雷保護(hù)起著十分關(guān)鍵的作用[6]。

3.5 安裝浪涌保護(hù)器防雷措施

在石油化工儀表系統(tǒng)正常運(yùn)行的過(guò)程中，如果遇到雷電天氣有可能遭受雷擊，此時(shí)雷擊電流會(huì)進(jìn)入到儀表控制系統(tǒng)，但是進(jìn)入的電流高于儀表設(shè)備所能承受的電流值，很容易使系統(tǒng)內(nèi)部的電子元件被擊穿。為了避免以上情況的出現(xiàn)，可將浪涌保護(hù)器安裝到儀表系統(tǒng)中，它能夠在系統(tǒng)中起到自動(dòng)檢測(cè)作用，實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部的電流值，如果電流值超過(guò)設(shè)備所能承受的范圍就會(huì)進(jìn)行自動(dòng)切換，有效保護(hù)電流回路，將強(qiáng)大的雷擊電流導(dǎo)入到地下防雷裝置中，并對(duì)輸出的電壓進(jìn)行科學(xué)合理的處理，將其控制在安全電壓范圍內(nèi)。雖然這種方式不能防止雷擊現(xiàn)象，但是可以盡最大程度保護(hù)儀表設(shè)備，使石油化工生產(chǎn)不受儀表設(shè)備損壞的影響。在浪涌保護(hù)器實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以科學(xué)合理地控制電流回路，再利用此優(yōu)勢(shì)可對(duì)進(jìn)入電力線和信號(hào)線的瞬態(tài)電壓進(jìn)行有效的限制，將其約束在較小的范圍內(nèi)，避免由于電壓過(guò)高而發(fā)生雷擊穿現(xiàn)象，同時(shí)還能對(duì)電子設(shè)備起到有效雷電防護(hù)作用。

3.6 規(guī)范布線防雷措施

在石油化工企業(yè)中所應(yīng)用的儀表控制系統(tǒng)中，整體內(nèi)部線路構(gòu)造較為繁瑣，而且系統(tǒng)還包含了各種儀表設(shè)備，傳輸線構(gòu)造不盡相同。所以，使儀表控制系統(tǒng)具有規(guī)范合理化，能夠有效降低應(yīng)用過(guò)程中發(fā)生雷擊風(fēng)險(xiǎn)。在安裝線路的過(guò)程中，如果工作人員將各種不同型號(hào)的線路混亂地布置在一起，那么在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)發(fā)生信號(hào)相互干擾的情況。一旦受到雷擊災(zāi)害，儀表控制系統(tǒng)的線路就會(huì)被瞬時(shí)超大電流擊穿，整個(gè)線路都會(huì)在相互干擾的作用下發(fā)生不同程度的損壞，而且這種損壞是不可逆轉(zhuǎn)的。在雷擊災(zāi)害下形成的設(shè)備損壞，會(huì)使起著核心作用的控制系統(tǒng)受到創(chuàng)傷，導(dǎo)致企業(yè)的儀表設(shè)備無(wú)法正常工作，影響石油化工的正常生產(chǎn)，還會(huì)增加企業(yè)的運(yùn)行維修成本，拖延生產(chǎn)工期。因此，在對(duì)儀表控制系統(tǒng)進(jìn)行布線時(shí)，需要嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求和儀表系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行規(guī)范化操作，使布線具有科學(xué)合理性，最大程度減低雷電災(zāi)害的損壞率。

4 結(jié)束語(yǔ)

石油化工是促進(jìn)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的主要產(chǎn)業(yè)之一，儀表系統(tǒng)是石油化工生產(chǎn)的中心，對(duì)整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行起著極為重要的作用。為了保證石油化工正常生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要做好儀表系統(tǒng)的保護(hù)工作，尤其是加強(qiáng)雷電防御措施。在開(kāi)展雷電防御過(guò)程中，應(yīng)先認(rèn)真分析雷電災(zāi)害對(duì)石油化工生產(chǎn)的影響和儀表控制系統(tǒng)存在的防雷隱患，再根據(jù)不同的問(wèn)題制定科學(xué)合理的解決策略，做好直擊防雷措施、等電位防雷措施、屏蔽防雷措施、接地防雷措施。在此基礎(chǔ)上合理安裝浪涌保護(hù)器和規(guī)范布線，使儀表系統(tǒng)更具安全可靠性，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，為石油化工生產(chǎn)奠定良好的基礎(chǔ)。