仪表设备的防雷击保护措施

沈锦晨

（武汉检安石化公司，武汉430082）

雷电是发生在大气层中的声、光、电物理现象，其能量巨大，破坏力极强。雷击事件对仪表系统的危害和造成的后果是严重的，在强雷击危害区域，石油化工仪表系统的防雷显得尤其重要。

1 仪表系统防雷问题

石化生产装置具有高温、高压连续生产的性质，原料和成品大都属于易燃易爆物质。石油化工工业场所分为一般工业环境和爆炸危险环境，按仪表安装地点分为控制室内环境和室外现场环境。安装在爆炸危险环境中的现场仪表有隔爆型、本质安全型以及其他防爆类型。不同防爆类型的仪表，防雷特点及方法也有所不同。控制室内安装的与本质安全相关的仪表系统，防雷工程同样应考虑本质安全仪表系统的结构特点和相应的方法。石化仪表系统设备的弱点：

a）仪表系统设备大部分由集成电路构成，其间隔很小。很小的过电压都会造成反击闪络。集成电路中的电源及信号线路通常有微型支撑结构。这些支撑结构受到电涌的冲击时，会变得过热而弯曲变形，使得本应该相互隔绝的线路相互接触，就形成了内部短路，从而导致集成电路失效。

b）电子系统工作电压较低，一般为3，5，12，24V等。任何超出工作电压的冲击（如雷电过电压），都可能导致电子系统误动作或永久性破坏，影响系统稳定运行。

随着计算机系统的网络化程度不断提高，其抗雷击和抗电涌电压侵害的能力越来越低，特别是综合布线连接的网络交换机、服务器、计算机、监控系统、终端设备更容易遭受雷电的侵害。由于这些设备处于网络运行的核心位置，一旦发生雷击或电涌电流侵入，将给整个网络的运行造成极为严重的后果，甚至造成通信中断，数据丢失。目前的仪表系统雷电事故亦不断增加，如差压和压力变送器、温度变送器、光纤液位变送器、气体报警器、电视监控摄像机等，占石化系统雷击事故近90%。

2 雷击的危害形式

a）直击雷。雷云放电直接通过建筑物或地面设备入地，强大的雷电流在瞬间产生很大的机械振动力和高温、高热，使物体遭到破坏。当雷电流通过物体时，因为有电阻或电感存在，所以产生很大的电压降和感应电压，使绝缘破坏，产生火花，引起燃烧、爆炸等。

b）接地电位反击。几十甚至几百kV的高电压沿引下线入地汇入地网中，由于瞬态高电压的冲击，在接地点产生局部电位升高，在地网间出现电位差，导致反击而损坏电器设备。地网中的电位差还会产生跨步电压，直接危及人的生命。

c）感应雷。感应雷的基本特征是在雷击发生的区域产生电磁感应的结果，可分为静电感应和电磁感应两种。感应雷没有直击雷那么猛烈，但它发生的几率比直击雷高得多。直击雷一次只能袭击小范围目标，而由雷电造成的感应过电压可以通过电力线、电话线等金属导体传输到很远的位置，造成很大范围的损害。

通常情况是雷击并没有击中建筑物，建筑物内的电子设备仍然被毁坏。科学研究表明，雷击即便没有直接击中建筑物，也会对建筑物内的微电子设备造成毁坏，因为只要雷击中心点在建筑物半径2km范围内，雷电就会产生极强的电磁场。所有从这个电磁场中穿越的供电线路，网络和信号线路等，都会因电磁感应在线路上产生一个电涌过电压，并沿着线路进入大楼内的设备输入端口，从而将电子设备烧毁。

静电感应是云层中电荷的感应使建筑物顶部积聚起极性相反的电荷，当电场强度达到25～30MV／m就会放电。放电过程开始后，放电通路中的电荷迅速中和，但建筑物顶部极性相反的电荷却来不及入地，因而形成很高的电位，易将顶部破坏，在内部将金属设备烧损或引起火灾。

d）电磁感应。电磁感应是当雷电流通过金属导体入地时，形成了一个迅速变化的强磁场，使处于附近的输电线路或设备产生感应过电压，将线路或设备的绝缘层击穿，导致供电中断或设备损坏。

e）开关过电压。供电系统中的电感性和电容性负载开启或断开、电源线路短路等，都能在电源线路上产生脉冲高电压，可达到线电压的3.5倍，从而损坏设备，破坏效果与雷击类似。

3 雷击电涌过电压侵入设备的通道

电涌是指电路中突然出现的瞬间过电压或过电流现象。它产生于直接雷击、雷击电磁感应、雷击静电感应、供电电压波动、电磁场干扰等。

研究清楚雷击电涌过电压侵入设备的通道，并在侵入通道上加装相应的防护设备，就达到了对侵入电子通信设备的雷电电涌防护的目的。雷击电涌过电压毁坏设备主要有如下三种形式：

a）电涌过电压通过设备的供电线路窜入设备的电源端口，烧毁设备的整流开关电源，进而使设备失去供电而停止工作。

b）电涌过电压通过设备接入网络、信号及安防系统数据控制线路窜入设备，造成设备毁坏。

c）通过设备的接地回路击毁设备。雷电击在建筑物的附近，或击中建筑物的外部避雷装置，雷电流沿着下引线向地泄放的过程中，入地点与建筑物内的设备接地排的电位差会极大。该电位差会通过地电位反击的形式将设备击毁。

只要在雷电电涌击毁设备必经的这三个通道上采取相应的等电位连结和安装防雷器，过电压毁坏设备的情况基本上可以避免。对于一个需要保护的系统，只有将进出该系统的电源线、信号线等都对地安装相应的电涌防护装置（SPD），雷击时系统内各部分之间的电位就会大致相等，因而就能避免造成设备损坏。

4 防雷存在问题及防护措施

对于武汉石化厂因老装置多，建设初期部分装置没有考虑防雷，同时部分仪表系统防雷工程的施工没有按规范进行。因此，存在以下主要问题：没有安装避雷针、避雷带（网）、建筑物金属桅杆、金属塔架等；没有使用接闪器分流；接地系统不规范，仪表系统没有形成等电位连接；没有形成电磁封锁（屏蔽）；没有合理布线；没有安装SPD。

仪表系统综合防雷工程是一项多专业、多项目的综合工程。施工工程有建筑物、电气和仪表三类。防雷包括接闪、分流、均压、接地装置、等电位连接（装置、区域、建筑物）、建筑物屏蔽和供配电系统的电涌防护器安装等。

防雷的基本原则：提供一条使雷电（包括雷电电磁脉冲辐射）对大地泄放的合理低阻抗路径，而非让其随机性选择放电通道，即控制雷电能量的泄放与转换。建筑物与电子设备的防雷措施，主要采用如下方法：

a）泄流。利用避雷针、避雷带和避雷网等将雷电流沿引下线引入大地，防止雷电直接击中建筑物和设备。

b）屏蔽。为防止从交流供电线路及信息系统网络传输过来的电涌损坏设备并危及人员安全，对外部传输线及线缆应使用封闭金属线槽或穿金属管道敷设，并对金属线槽、穿线金属管道进行可靠适度的多点接地，以最大限度地减少感应雷击所产生的电涌破坏设备事故。计算机系统所有的金属导线，包括电力电缆、通信电缆和信号线均采用屏蔽线或穿金属管屏蔽。在机房建设中，利用建筑物钢筋网和其他金属材料，使机房形成一个屏蔽笼，用以防止外来电磁波（含雷电的电磁波和静电感应）干扰机房内设备。

c）等电位连接（对不带电金属体）。将机房内所有金属物体，包括电缆屏蔽层、金属管道、金属门窗、设备外壳等金属构件进行电气连接，以均衡电位。

d）接地。为保证计算机网络系统稳定可靠的工作，解决环境电磁干扰及静电危害，需要一个良好的接地系统。

e）雷电电涌过电压保护。在电子设备的信号线、电源线上安装相应的过电压保护器，利用其非线性效应，将线路上过高的脉冲电压滤除，保护设备不被过电压破坏。主要保护器件为氧化锌压敏电阻、快速箝位二极管等，根据需要进行组合，形成完整的防雷保护器。

f）合理布线。当接闪的雷电流沿分流引下线泄入大地时，由于电磁的耦合作用，会在附近的导体（电线、电缆）上感应出电势，即电涌。此电涌的数值与距引下线距离的平方成反比关系。为了减少线缆上的电涌，在布置电源线、信号线时，要尽量远离防雷引下线。

g）安装SPD。在建筑物内所有连线的进线端、设备附近、防雷区界面等处，根据需要安装SPD。

5 防雷实施方案

目前，该厂仪表控制系统大多已经采用等电位接地方式，但综合防护是共识的防雷方针。仪表防雷系统同样是一个系统工程，必须对全厂生产装置的仪表设备接地现状进行多次普查，对存在的问题分类梳理找出主要原因，才是找出整改故障隐患的最终途径。具体方法如下：

a）每年雷雨季节前应对接地系统进行检查和维护。主要检查连接处是否紧固、接触是否良好、接地引下线有无锈蚀、接地体附近地面有无异常，必要时应挖开地面抽查地下隐蔽部分锈蚀情况，如果发现问题应及时处理。

b）必须加紧老系统的整改。老系统没有安全隔离措施——防雷栅；受当时施工规范所限，其接地系统不完备；设备老化，有些接地铜条和螺丝生锈腐蚀严重。

c）仪表设计过程中要考虑现场仪表与控制系统兼容和匹配的问题，以及建筑物和设备的防雷措施。

d）接地网的接地电阻应每年进行一次测量。每年雷雨季节前，应对运行中的防雷器利用元件老化测试仪进行一次检测；雷雨季节中要加强外观巡视，发现防雷模块显示窗口出现红色时应及时处理。

e）电源和信号加装电涌保护器。设备遭受雷击后应对损坏情况进行调查分析，分析内容包括：各种电气绝缘部分有无击穿闪络的痕迹、有无烧焦气味、设备元件损坏部位。

f）自控仪表系统与外界之间加装防雷栅进行隔离。安装峰值电流记录卡，记录测量数据，量度峰值电流数据加以记录存档。

g）对可燃气体报警器，可以在接线端子上加装0.25～0.5A的熔断器。

h）每次雷击后，对系统卡件一定要仔细检查，分析原因。

6 结束语

仪表系统的雷电防护措施，必须要在工程的设计阶段予以充分考虑。若建筑物施工完成后，有些防护措施将很难实现。防雷效果需实际检验，针对不同仪表系统特点，采取不同的防范措施，将雷击对仪表设备的损害降至最低，确保仪表系统的正常运行。

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