仪表防雷技术的应用研究

李学兴

摘 要：简述了化工仪表系统受到雷击的形式及其产生的破坏，详细介绍了几种防雷技术，对化工仪表系统的防雷保护具有指导意义。

关键词：仪表；防雷；化工

随着化工企业的规模不断扩大，仪表系统向网络化、智能化方向发展，而仪表设备普遍存在绝缘强度低、过电压和过电流耐受能力差、对电磁干扰敏感等弱点，一旦仪表设备受到直接雷击或其附近区域发生雷击，雷电过电压、过电流和脉冲电磁场会通过供电线、仪表信号线、电缆汇线槽、穿线管等途径到达仪表设备，威胁仪表设备的正常工作和安全运行。

1 雷击危害形式

雷击从形式上可分为直接雷击与感应雷击和雷电过电压侵入、反击这四种形式，可能产生的危害形式划分为下列情况。

1.1 直接雷击

雷电直接击中现场仪表设备或与之连接的管路，它的特点是能量大，伴有强大的冲击电流、炽热的高温、猛烈的冲击波通常会损坏仪表的传感器模块并且可能损坏变送器的电子线路板。

1.2 感应雷击

感应雷击又分为静电感应和电磁脉冲辐射。静电感应是当雷云来临时，地面物体，尤其是导体聚积大量电荷产生放电，放电电流若进入现场仪表和用电设备，造成设备损坏；电磁脉冲辐射是雷电流在其通道周围的空间产生电磁场，向外辐射电磁波，藕合到控制室的计算机、仪表和现场仪器仪表，以及各类金属导体上，产生感应电动势或感生电流，造成设备故障，损坏以致控制系统失灵。

1.3 雷电过电压侵入

直接击雷或雷电感应都可能使导线或金属管道产生过电压，此雷电过电压沿各种金属管道、电缆槽、电缆线路就可能将高电位引入仪表系统，造成干扰和破坏。

1.4 地电位反击

防雷装置接闪时，强大的瞬间雷电流通过引下线流入接地装置，由于大地电阻的存在，雷电电荷不能快速向大地泄放，必然会引起局部地电位上升（可能上百千伏），如果仪表控制系统的接地体与该点没有足够安全距离，它们之间就会产生放电，造成反击电流，会对仪表控制系统产生干扰乃至破坏。

2 化工仪表防雷技术

目前化工企业对仪表的防雷措施有外部雷电防护和内部雷电防护，大致分为以下几类。

2.1 接闪器

直接雷击的防护主要由建筑物的防雷装置实现，现场仪表系统的防雷，应和周围的储油罐等设备的防雷措施一起设计。

2.2 均压

当雷击发生时，在雷电瞬态电流所经过的路径上将会产生瞬态电位升高，使该路径与周围的金属物体之间形成瞬态电位差，如果这种瞬态的电位差超过了两者之间的绝缘耐受强度，就会导致介质的击穿放电损坏仪表设备。为了消除雷电瞬态电流路径与金属物体之间的击穿放电，可将现场仪表的所有金属外壳、构架、生产装置的金属设备、设施、仪表控制室内的设备、组件和元件的金属外壳、金属设施连接在一起，并且与仪表控制室的防雷接地系统相连接，形成完善的等电位连接。

2.3 接地

目前国内化工仪表系统的接地主要有两种措施：浮地、多点接地。①浮地。浮地是指仪表的工作地与建筑物的接地系统保持绝缘，这样建筑物接地系统中的电磁干扰就不会传导到仪表系统中，地电位的变化对仪表系统也无影响。但由于仪表的外壳要进行保护接地，当雷电较强时，仪表外壳与其内部电子电路之间可能出现很高的电压，将两者之间绝缘间隙击穿，造成电子线路损坏；②接地。接地是指仪表、DCS、PLC等设备的工作接地与保护接地分开，这种接地方式的突出优点是可以就近接地，接地线的寄生电感小。但是如果较强的雷电波通过保护地进入系统，电子电路同样会因承受高压而损坏。由于以上两种接地方式都不能满足防雷的需要，因此，可以考虑将保护地与工作地相连接，并且接入防雷接地系统，问题就可以解决了。

2.4 屏蔽

化工仪表系统多为半导体器件、集成电路组成，由雷击产生的瞬态电磁脉冲可以直接辐射到这些元器件上，造成設备工作失灵或损坏。利用屏蔽体来阻挡或衰减电磁脉冲的能量传播是一种有效的防护措施。①控制室屏蔽。仪表控制室应是无窗的封闭结构，将房屋墙壁中的结构钢筋交点处电气连接，并与金属门框焊接，构成一个带门开口的屏蔽笼，在室内沿墙壁四周再做一圈保护接地环（接入防雷地），接地环与屏蔽笼进行有效的电气连接；②现场仪表屏蔽。现场仪表可采用金属的仪表箱（罩）实现防雷屏蔽，仪表箱（罩）要与其它现场的金属设施实现等电位连接，并接入防雷接地系统；③信号线和电源线屏蔽。为了防止雷电电磁脉冲在信号或电源线路上感应出瞬态过电压波，所有的信号线及低压电源线都应采用有金属屏蔽层的电缆。就瞬态过压防护而言，需要信号线或电源线的屏蔽层沿线路多点接地或至少应在线路的首、末两端接地。当采用多点接地后，各接地点之间的屏蔽层沿线路之间形成回路，低频干扰电流的电磁场可能会有一部分透过屏蔽层，在电缆的芯一护套回路产生低频干扰，这就要求屏蔽层沿线路只能采取单点接地。

2.5 分流

分流是防雷的有效措施，由于仪表回路太多，不可能在每个仪表回路中都使用SPD，必须有选择地在重要回路和系统电源回路中安装SPD或避雷器。

[参考文献]

[1]李忠明.仪表设备的防雷保护[J].自动化与仪器仪表，2012（05）.

[2]蔚艳霞.仪器仪表的防雷设计探讨[J].河南科技，2012（06）.