石油化工仪表系统的接地设计

安诗玉

(中国成达工程有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

石油化工设备的仪表系统是保证石油化工正常生产的重要系统。但是我国是一个多雷电灾害的国家，雷电灾害对我国石油化工企业设备的仪表系统造成严重威胁。由于雷电灾害的频繁发生，许多石油化工工厂的仪表系统受到雷电的影响。部分地区由于雷电的频发，对石油化工工厂仪器仪表系统造成破坏，导致停工停产的事故时有发生。当仪表系统遭到雷击受损时，直接造成仪表系统经济损失达数万元至数十万元，停产减产造成的经济损失达数百万元，有的闪电灾害甚至会给人的生命安全带来威胁。随着科技的发展，仪表系统逐渐趋于电子化、集成化，加上计算机网络技术等成为控制仪表系统的重要组成部分，使得仪表系统对雷电灾害的敏感度飙升，极易受到雷电灾害带来的破坏。雷击事件遍布我国各地，严重威胁我国石油化工厂的仪表系统，部分风雨肆虐地区的工厂仪器系统甚至被闪电直接破坏。仪表系统的防雷技术成为防止石油化工企业遭受灾害的必备举措。

1 雷电的危害形式及防护

雷电对周围物体造成损害的形式众多，其主要类型有直接作用形式的雷电，例如直击雷；间接作用形式的雷电，例如雷电对电磁场的干扰以及雷电产生的静电感应。

在石油化工行业的仪表系统中，通常使用的模拟信号只能保持在较低值，因此雷击事件发生时产生的数百甚至上千伏的电压对于仪表系统的模拟信号产生巨大的威胁，远远超过石油化工行业的仪表系统能够承受的电压极限值。

1.1 直击雷

由于带电的云雾和周围的大地以及大地上的建筑物等之间存在一定的距离，因此直击雷在该空间内容易产生快速放电，从而引发剧烈的电磁电热效应。雷对其周围的建筑物和电子产品甚至是建筑物内人员产生巨大损害，甚至引起物体爆炸、电气绝缘损伤和电线熔断。为保证石油化工装置的仪表系统的安全运行，应选择抗干扰度高的仪器并设置正确的接地方式。控制系统通常被安置在石油化工厂的某一独立建筑的控制室内。该建筑主要根据第三种防雷结构的设计要求来进行设计，屋顶防雷网通过引下线与防雷接地网相连[1]。同时，如果能够使石油化工设备中的仪表系统与接地网实现等电位连接，不仅能拉大防雷接地与仪表系统之间的绝缘距离，而且能够使石油化工设备实现等电位连接。

1.2 电磁场干扰及静电感应

当雷云经过控制室时，雷电在发生时会伴随着巨量的电流经接地引线流入大地。当周围存在一定的电子设备，例如电源、信号光缆等，则会对其产生电磁感应并使控制系统受到雷电的破坏。尤其当电子设备控制室距离雷电较近时，电缆或其他电子设备上感应产生的高电位会直接作用到仪表系统。雷云在途经控制室的时候，其所带电荷能够使控制室周围感应出相反的电荷，因此当雷云消失后，如果不对控制室周围的电荷进行引导，会导致出现控制室周围的局部高电位，从而破坏控制室内的电气系统。为了避免电磁干扰和静电感应的产生，可采取将控制室内各金属装置与防雷装置连接的方法，以实现防雷的目的。

2 接地分类

根据作用的不同，石油化工行业仪表自控系统的接地分为安全接地和工作接地两种。为有效保证人身安全和仪表系统的安全，安全接地是仪表系统必不可少的措施。安全接地分为以下几种类型：保护接地、防静电接地以及防雷接地。工作接地主要分为回路接地、屏蔽接地以及本安接地，主要用来保证仪表系统工作的正常进行。

2.1 安全接地

保护接地通常采用将仪表系统非带电金属结构与大地直接相连的方式来设置。如果仪表系统发生了故障，通常会使未带电的金属部件增加承受危险电压的可能。保护地线可以迅速将这些危险电压引导到地面上，避免造成对电气设备的电击和人员的损伤。另外，保护接地可以起到防止静电积累的作用[2]。防静电接地主要用来保证仪表系统上产生的感应静电能够通过接地线流入大地，从而避免静电电流对仪表系统以及周围其他设备甚至工作人员的破坏和伤害。防雷接地主要有两种形式，其中一种为外部接地，主要由电气专业人员来进行安装调试。

2.2 工作接地

回路接地通常被使用在自动化或其他计算机系统中。在石油化工行业的仪表系统中，工作接地需要将非隔离信号统一成一个信号点并设置直流电源公共端来进行接地。

屏蔽接地主要用来消除电磁干扰。屏蔽接地在设置时通常采用将电缆的屏蔽层、排扰线、仪表的屏蔽接地端子共同接地的方式来实现。屏蔽接地的另一种形式是使仪表系统所在控制室建筑的钢筋等金属装置连接形成屏蔽网[3]。

本安接地一般由两部分组成，分别是本安仪表和安全栅栏。安全栅栏一般采用隔离式和齐纳式两种类型来进行设计。隔离式安全栅栏由于采用了输入输出和电源分离的结构设计，因此其隔离效果较好，可以将系统的接地设计省略掉。齐纳式安全栅栏为了保证其结构的安全性，通常是采用一系列电子元件来保证输入量不会超过阈值。仪表系统在使用齐纳式本安接地时为有效保证电势的一致，通常将接地部分连接到一起。

3 仪表接地系统的设计应用

3.1 基本原理

石油化工仪表系统防雷设计的基本原理为限制雷电作用的电流、电压以及能量。为达到该目的，应采取措施实现在雷电作用在仪表系统之前将其能量释放掉，使雷电作用在仪表系统上的电流和电压减小到仪表系统可承受的范围内，从而保证仪表设备的安全[4]。

3.2 接地系统的构成

接线系统主要由接地导线、接地铜排和接地电极构成。接地导线在使用时，其横截面积是重要的参考依据，在不同的连接部位中，由于使用长度的不同，应使用横截面积不同的接地导线，如表1所示。

表1 接地导线的截面积

3.3 接地系统的设计原则

接地系统在设计时，要遵循确保工作接地和保护接地连接相同的接地点这一最基本原则，只有这样才能避免电位差的生产。对于特殊性的仪表，应根据使用情况以及工作环境采取一定的隔离措施。特殊性的仪表设备由于其受工作环境的影响更大，因此要对其采取灵活的隔离措施。保护接地和工作接地在仪表盘或者其他设备中安装时应将两者进行有效的隔离。接地铜排主要应用在本安接地、屏蔽接地和回路接地中。接地电阻的选择是影响接地安装质量的重要因素。评价接地系统效果的好坏往往根据接线电阻阻值的大小[5]。

在仪表系统安装过程中，使用的接地电阻通常可以分为两类：连接电阻和接地电阻。具体在仪表系统接地时，应充分考虑接地电阻的大小，正确测量接地电阻值。接地时经常要在接地端和仪表系统的总线板之间接入连接电阻，该电阻大小一般要小于1 Ω。仪表系统内部的分支节点之间要控制接线阻值小于4 Ω[6]。其中接地导线的截面积、长度以及连接方式都会对阻值造成一定的影响，因此务必对影响因素加以考虑。

4 结语

综上所述，仪表系统在石油化工生产中提供了可靠的生产数据并反映实际的生产状况，能够有效地保证生产装置高效、稳定的运行和安全生产。要使仪表系统正常运转需要为其提供良好的工作环境，因此防雷接地系统设计的好坏关系着仪表系统运行的稳定性。在设计阶段重视防雷接地设计的同时，对一定的偶然事件也要做出预判，对系统进行不定期检查和维护，并根据实际情况做出正确的处理。