儀器儀表雷電防護技術研究

梁冰

【摘要】隨著工業現代化的快速發展，自動化儀器儀表系統已成為工業生產的神經中樞，但儀器儀表設備絕緣強度、過壓與過流耐受能力以及抗電磁干擾能力較低，很容易受到雷擊或者雷擊的干擾而失靈，嚴重時還可能造成人員傷亡與生產事故。本文首先闡述了雷擊對儀器儀表系統的危害形式，然后詳細分析了儀器儀表系統防雷電防護技術措施。

【關鍵詞】儀器儀表；雷電；接地；屏蔽

【中圖分類號】TM862 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）01—0051—02

1 雷擊對儀器儀表系統的危害形式

雷電是不可避免的自然現象，據相關資料，大約15%雷會落地造成危害，因此，有效預防雷電入侵是保證儀器儀表系統安全穩定運行的基礎。雷擊對儀器儀表系統的危害形式主要有以下幾種。

1.1 直接雷擊危害

直接雷擊就是雷電直接擊中電力系統中現場儀器儀表設備或者擊與中儀器儀表連接的管路，直接雷擊能夠損壞儀器儀表的傳感器模件，同時很容易對變送器的電子線路板造成損壞。而且雷電流會順著儀器儀表支架流入大地時，會產生很強的感應磁場，經信號傳輸線路與控制系統的DCS等電子設備發生耦合，破壞電子設備。

1.2 感應雷擊危害

感應雷擊危害主要體現在兩個方面。一是靜電感應。就是當雷云導致地面物體聚積大量電荷，放電時電流很容易入侵現場儀器儀表，對其造成損壞。二是電磁脈沖輻射。就是雷電流在其通道周圍的空間形成一個產電磁場，電磁場輻射電磁波時，與控制室的計算機、儀表以及現場儀器儀表進行耦合，使儀器儀表控制系統出現失靈。

1.3 雷電過電壓侵入危害

發生雷電直擊或者發生雷電感應都很容易讓輸電線路的導線與金屬管道出現過電壓，過電壓此會順著各類金屬管道、電纜槽以及電纜線路侵入儀器儀表控制系統，干擾控制系統，破壞控制能力。

1.4 反擊危害

電力系統的防雷裝置在接閃時，會在很短的時間內將強大的電流經防雷裝置的引下線輸送到大地，但大地存在一定的電阻，雷電電荷在向大地泄放時，會導致局部地電位上升，如果儀器儀表控制系統的接地體距離高電位較近，就會發生相互放電現象，產生反擊電流，反擊電流很容易擊穿電氣設備絕緣層，干擾甚至破壞儀器儀表控制系統。

2 儀器儀表系統防雷電防護技術措施

儀器儀表系統防雷電防護技術措施是多方面的，其中等電位連接、接閃、分流、均壓、接地以及屏蔽是重要技術措施。但要真正取得儀器儀表系統的防雷效果，必須將這些防雷技術進行綜合運用。

2.1 等電位連接防護技術

雷擊產生的瞬態電流會提高某點的瞬態電位而形成瞬態電位差，這種瞬態的電位差會造成導致介質的擊穿放電或者產生電磁脈沖，而損壞儀器儀表設備或者干擾儀器儀表系統穩定工作。因此要消除雷電瞬態電流路徑與金屬物體之間的擊穿放電必須進行等電位連接，等電位連接就是將具有相同對地電位的各個可導電部分進行電氣連接，保持系統各部分不出現造成損害的電位差。可以將所有現場儀表的所有金屬外殼、構架、生產裝置的金屬設備、設施、儀表控制室內的設備、組件和元件的金屬外殼、金屬設施連接成一體，同時與儀表控制室的防雷接地系統相連接，接入防雷接地系統，形成完善的等電位連接。等電位連接一般有兩種形式組合，即S型與M型。

2.2 接閃防護技術

接閃技術就是利用避雷針（網、線帶）和建筑物自身的金屬來接受直擊雷，避免受到電力系統或者建筑物遭到破壞。在接閃裝置設計時，除了注重接閃部分功能外，還要以控制室與工藝裝置的結構形式等因素，綜合考慮防雷方式，提升接閃引雷的效果。譬如對易受雷擊部位控制落雷點重點控制，接閃器采用避雷針、避雷帶還是避雷網等因素。

2.3 浮地防護技術

“地”的經典定義是“作為電路或系統基準的等電位點或平面，當前工業企業中的儀器儀表系統的接地防護技術主要有兩類，即浮地與多點接地。浮地就是將儀器儀表控制系統電路的接地地與大地無導體連接，對儀器儀表系統電路進行浮地，能夠預防大地電性能的影響，能夠使功率地（強電地）和信號地（弱電地）之間的隔離電阻很大，可以阻止共地阻抗電路性耦合產生的電磁干擾到儀器儀表系統中。但雷電較強時，浮地很容易使儀器儀表外殼與其內部電子電路之間可能出現很高的電壓，為避免絕緣間隙擊穿，造成電子線路損壞，可以在浮地與公共地之間跨接一個阻值很大的泄放電阻，用以釋放所積累的電荷。

2.4 屏蔽防護技術

儀器儀表控制系統具有大量的半導體器件、集成電路以及傳遞信號的電纜，雷擊發生時，其產生的瞬態電磁脈沖很容易對這些元器件進行直接輻射，也很容易在電源或信號線上感應出瞬態過電壓波，入侵到電子設備使其失靈或損壞。因此，對儀器儀表雷電防護可以通過屏蔽體阻擋或衰減電磁脈沖的能量傳播。儀器儀表系統防雷屏蔽包括控制室屏蔽、現場儀表屏蔽、信號線和電源線屏蔽三個方面。

（1）控制室屏蔽防護技術

控制室內的控制系統是儀表系統的中樞，容易受雷電電磁脈沖的干擾，因此，儀表控制室必須做成無窗封閉結構，其墻壁中的結構鋼筋交點處電氣連接，并與金屬門框焊接，構成一個帶門開口的屏蔽籠，在室內沿墻壁四周再做一圈保護接地環），接地環與屏蔽籠進行有效的電氣連接。

（2）現場儀表屏蔽防護技術

現場儀表屏蔽就是將儀表箱（罩）與其它現場的金屬設施實現等電位連接，并接人防雷接地系統。

（3）信號線和電源線屏蔽防護技術

信號線和電源線屏蔽防護技術就是為預防雷電電磁脈沖在信號或電源線路上感應出瞬態過電壓波，所有的信號線及低壓電源線都應采用有金屬屏蔽層的電纜。同時為預防多點接地所產生的低頻干擾，一般情況下將電纜穿入金屬管內或采用雙屏蔽電纜，將金屬管或雙屏蔽電纜的外屏蔽層采取多點接地，金屬管內或雙屏蔽電纜的內屏蔽層可以采用一端接地。

2.5 分流

儀器儀表控制系統分流是回路繁瑣，在每個儀表回路中都使用SPD不現實，因此，可選擇地在重要回路和系統電源回路中裝設SPD或避雷器保護儀器儀表系統。

2.6 合理布線

強電、弱電以及信號等哥哥系統對電磁干抗的敏感度有差異，同時各類線纜在運行中很可能彼此產生電磁干擾。因此，為保護儀器儀表儀表系統，應該將電源與信號線纜進行分開敷設，尤其是控制室的各種信號線纜應該具有金屬管保護或者封閉式的電纜橋架，控制室遭遇雷擊時，外墻墻處有較大的電流密度與較強的電磁場強產生，因此，電源與信號線路在裝設時不要靠近不應控制室的外墻，設置在建筑物的中心位置最佳。

2.7 裝設浪涌抑制保護器

電路在遭雷擊和在接通、斷開電感負載或大型負載時常常會產生很高的操作過電壓，這種瞬時過電壓（或過電流）稱為浪涌電壓（或浪涌電流），是一種瞬變干擾。為防止這種瞬間干擾，可以裝設浪涌電壓抑制器來保護儀器儀表控制系統免受浪涌高壓的損害。常用的浪涌吸收器有氧化鋅壓敏電阻，RCD組合浪涌吸收器、瞬態電壓抑制器等。

3 結束語

總之，儀器儀表系統的防雷技術要以企業生產裝置現狀為基礎，優化設計等電位連接，綜合考慮控制室、現場儀表、儀表信號和電源線等各個因素，需要電氣、建筑、自控等專業協同合作來實現接閃、浮地、屏蔽、分流、合理布線以及裝設浪涌抑制保護器等多種措施。

參考文獻

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