化工装置自动化仪表系统防雷的探讨

刘锐利，薛晓渝

黎明化工研究设计院有限责任公司，河南洛阳，471000

0 引言

我国是雷电多发国家，特别是南部沿海地区雷电频次高。仪器仪表中半导体元器件遇到雷电冲击，造成意外电压瞬变和浪涌而烧坏或击穿。据统计，自动化仪表的故障有75%是由于瞬变和浪涌造成的。特别是雷暴频发地区，雷击事件对化工生产装置有着较大影响，雷击造成自动化仪表设备的损坏，影响系统稳定运行，甚至导致装置停车和人员伤亡，造成重大的经济损失，因此自动化仪表系统防雷是重要的防灾减灾措施[1]。

1 自动化仪表系统防雷的重要性

自动化仪表设备是由若干自动化元器件构成的，自动化器件抗雷击和防静电的防护能力很弱。在强雷雨天气，由于雷击，自动化元器件容易损坏，影响仪表生产过程的稳定和正常运行。若没有有效合理的防雷措施，会影响整改装置系统的正常运行，特别在化工生产装置中，因雷击造成系统停车或放料，从而造成较大的经济损失。为了进一步满足仪器设备在雷雨天气环境下稳定、正常、安全、高效运行的要求，仪器系统本身的安全防雷和防静电技术越来越重要[2]。

1.1 雷击的基本类型

雷击大致可以分为两类：直击雷和感应雷。下面对直击雷和感应雷引起的仪器损坏进行分析。

（1）直击雷是指雷电在空中产生的电荷，能以闪电的形式直接击中各种人、动物、树木和大型建筑物。直击雷的技术特点之一是能量巨大，中等强度的直击累电流为10～80kA。其通过强烈的热电辐射和电磁机械效应，对人类和动植物造成致命伤亡，破坏建筑物。如果现场仪表、电线/缆和一些其他信号传输线设备遭到雷击，在各种极端条件下，几乎所有的仪表系统都会因触电而严重损坏。

（2）感应雷。感应雷是指雷电脉冲瞬时放电而产生的与其对应电压大小相同的感应脉冲电压，使其靠近物体带电。感应电压可以通过其感应导体，并迅速传输到各种相关的电子控制仪表以及相关的设备，从而对各种自动化仪表及控制系统造成严重的危害。而对于组成各个仪表控制系统的电子产品来说，仪表设备是其中最重要的部分，感应装置造成的主要雷电伤害也是其危害和作用范围最大的。仪表系统经常遭受的大部分雷害也是由感应装置的雷害引起的[3]。

1.2 雷击是自动化仪表设备等损坏的主要原因

（1）由于强雷电效应，仪器周围电荷分布严重不均匀，静电感应过电压造成仪器周围局部感应过电压，损坏仪器上的主要电子设备。根据试验数据调查，这种试验电压有时高达数百或数十千伏，足以轻易损坏接地结构不良地区的仪表。

（2）由于雷电流形成的感应电磁场方向变化强烈，通过这种电磁感应可在导体周围的导体中产生感应过电压，这种感应电压往往可沿带电导体向前传导，损坏带点导体或损坏与之紧密相连的其他相关电子设备。

（3）雷击会使半导体元器件击穿，电位分布不是很均匀，造成极高电位值的反击，损坏电子设备。

因此，研究和分析自动化仪表系统的防雷对化工装置的防灾减灾具有重要的意义。

2 常见的自动化仪表系统防雷方法

2.1 雷电防护等级的划分

自动化仪表系统雷电防护等级可用雷电评估方法（计算评估法）分级，也可以用被保护系统的重要程度结合当地年雷暴日数（综合评估法）分级。由于雷击事件是随机的，对于一个地方的雷击次数和强度没有规律，所以用计算估计法对雷电防护分级准确率很低。目前，一般根据被保护对象的重要程度和当地雷暴日数采用综合评估法确定仪表系统雷电防护等级，方法参考如下。

（1）由于雷击造成仪表设备被损坏产生的事故综合经济损失，或者仪表自动化系统中控制器或任意1组数据模块损坏可能造成生产装置事故而产生的综合经济损失与被保护系统的重要程度参考分类见表1。

表1 被保护系统的重要程度参考分类表

（2）表2中被保护系统的重要程度与当地年平均雷暴日的对应关系。装置所在地的年平均雷暴日应根据当地气象部门的发布资料确定。

表2 综合评估法雷电防护等级

根据要求一级防护等级应当实施防雷工程，二级防护等级也适宜实施仪表防雷工程。

2.2 仪表系统防雷原理和措施

2.2.1 基本原理自动化仪表系统防雷的基本原理是通过对雷击产生的雷电流进行限流、限压和限能。利用接地保护系统将雷电流引入大地，并将残余电流的电压限制在小于仪表设备能够承受的范围之内，使仪表设备不受损毁。

2.2.2 化工装置常见的仪表系统防雷措施

（1）设置接闪器。化工生产装置中常见的接闪器有避雷带、避雷针、避雷线和避雷网等，接闪器与引下线、接地体连接。其作用是雷电击中它时，雷电流从接闪器本身通过引下线、接地体，迅速泄放至大地，从而保护生产装置以及一定区域内的设备。

（2）仪表系统接地。接地系统包括室内和室外两部分。室内仪表接地系统包括控制室建筑物本体的防雷接地、防静电接地以及控制室内的自动化仪表设备的保护接地、工作接地等，这些接地应该共用接地装置。室外仪表接地包括现场仪表、机柜以及分析小屋等。

（3）设置电涌保护器。设置电涌保护器是在自动化仪表回路中安装电涌保护器SPD，起到雷电流分流的作用。仪表设备与接地线之间并联合适SPD，当遇到雷击时，SPD的电阻突然降到低值，近乎短路状态，雷电流就经过SPD分流至大地。由此起到保护仪表设备的作用[4]。

（4）信号电缆和仪表设备的屏蔽。设置屏蔽层能有效消除雷电电磁脉冲辐射，从而保护自动化仪表设备。化工生产装置中主要是选用屏蔽电缆/线、选用金属电缆保护管或者利用金属网将仪表设备包围起来，形成“法拉第笼”来避免雷电电磁脉冲辐射对仪表设备的影响[5]。

（5）系统化防雷方法。自动化仪表系统的防雷是一个很复杂的工程，不仅要考虑外部环境的影响，还要结合仪表设备的特点，采用相应的防雷电措施。系统化防雷包括外部防雷和内部防雷两个方面。外部防雷包括安装避雷针，现场仪表设置浪涌保护器，采用屏蔽电缆/线等措施。内部防雷主要是控制室内安装网状接地排、仪表机柜接地、进线柜安装浪涌保护器等措施。采用系统的方法，如接闪、屏蔽、均压、分流、接地，将雷击危害程度减少到最低限度[6]。

2.3 化工装置自动化仪表系统化防雷措施应用实例

某化工装置位于广西壮族自治区钦州港，地处海边雷暴频次高（平均雷暴日96.5d/a）、强度大，现场仪表遭雷击，控制系统异常故障现象时有发生，对仪表控制系统运行造成极大影响。解决方案：从主机、机柜到现场仪表进行系统化防雷技术。

（1）现场仪表设置浪涌模块，分支电缆增加内屏蔽层。浪涌保护器如图1所示。

图1 现场仪表内置浪涌保护器

（2）进线机柜增设浪涌保护器组块，外部电缆经浪涌保护后转接。组块实物图如图2所示。

图2 机柜设浪涌保护器组块

（3）系统主机及控制柜严格分开工作地和保护地接线，并分别引至总地排。接线图如图3所示。

图3 控制柜工作地和保护地接线图

使用效果：装置已投产一年，未出现一起雷击现场，系统运行稳定。

3 对自动化仪表系统防雷的建议

随着工厂数字化的发展，化工装置自动化仪表设备使用越来越广泛，表现出仪表设备种类繁多、现场仪表和自控阀分布广泛、信号形式多样、仪表电缆的种类多样、仪表系统的I/O点数多规模大等特点，还有爆炸危险分区、有毒有害场所等区域特点，这都造成了化工装置自动化仪表系统防雷的复杂[7]。为了充分满足现代生产活动的安全需要，仪表系统的防雷方案一般应根据雷电环境和安装仪表的特点，考虑以下三个因素。

3.1 控制室设计及施工

仪表控制室应按二类防雷建筑设置避雷网、接地引下线、环形接地装置。保证控制室及周围良好的接地是雷电流和静电泄放的前提条件，控制室的综合接地电阻不应大于4欧姆。为保证控制室内仪表设备的工作接地、保护接地、屏蔽接地、本安接地能就近接至主接地系统，并能消除电位差和地电流干扰，可设置网型结构接地排并与主接地系统连接，网型结构接地排原理如图4所示。

图4 网型结构接地排原理图

3.2 仪表系统设备材料选型

根据系统化防雷思路，仪表进线柜设浪涌保护器组块，外部电缆经浪涌保护后转接，现场仪表设置浪涌模块，仪表电缆要求有内屏蔽层。

3.3 现场仪表安装

①保证现场仪表与主接地系统有效连接，可以有效避免由于雷电感应脉冲的持续存在或雷电脉冲在仪器接地端的接地而造成地面设备与仪器设备之间的电位差[8]。②保证雷电流和接地卸放。安装仪表时，尽量避免安装在建筑物或设备顶部而成为接闪体，接地线应尽可能地短，且为减少线路电抗，接地线应采取直线敷设，不要将多余的电缆环状敷设[9]。

4 结语

随着工厂数字化的发展，化工装置自动化仪表设备使用越来越广泛，表现出仪表设备种类繁多、仪表信号形式多样、现场仪表和自控阀分布广泛、仪表电缆的种类数量多、仪表系统的I/O点数多规模大等特点，还有爆炸危险区域、有毒有害场所等区域特点，这都造成了化工装置自动化仪表系统防雷的复杂。为了充分满足现代生产活动的安全需要，我们要进一步认真收集先进经验，推广实用新技术，加强防雷、防静电在化工装置上的应用，确保化工生产活动安全、稳定、可靠运行。