天然氣集輸站智能儀表防雷分析

周建華

（中原油田分公司 天然氣產銷廠，河南 濮陽457162）

隨著工業自動化控制技術的發展，天然氣計量向智能化、網絡化發展。中原油田分公司天然氣產銷廠在采氣、輸氣等站場進行了天然氣計量自動化改造，但智能化程度高的儀表普遍存在絕緣強度低、承受過電壓和過電流能力差的特征，一旦儀表受到直擊雷侵入或其附近區域發生雷擊，雷電過電壓、過電流和脈沖電磁場會通過電源線、儀表信號線、電纜槽、穿線管等途徑到達儀表設備，影響了儀表的正常工作和安全運行，如果防護不當輕則使儀表設備工作失靈，重則使儀表設備永久性損壞，嚴重時還可能造成生產事故、人員傷亡。因此，天然氣集輸站場自動化儀表系統的設計必須高度重視防雷設計。

1 天然氣流量自動計量現狀

天然氣流量自動計量是通過現場儀表取得天然氣的壓力、溫度、差壓、天然氣組分等參數，通過一定的計算方法得到標準狀況下的體積流量。天然氣自動計量組成模式有多種，該廠主要采用現場智能儀表和后臺工控機、PLC組合的模式，數據處理由智能儀表、工控機或PLC完成，數據傳送采用RS－485總線方式，傳送協議根據需要分別采用HART協議、ROC協議、Modbus協議。智能儀表采用多參數儀表、單參數儀表、溫度傳感器等，由于微電子器件采用較多，使得其受惡劣天氣影響較大，也是因雷擊損害最多的儀表。

2 雷擊對儀表系統的危害形式

雷擊從形式上可分為直擊雷與感應雷擊兩種，對儀表系統可能產生的危害形式劃分為下列幾種：

1）直擊雷。雷電直接擊中現場儀表設備或與之連接的管路，通常會損壞儀表的傳感器模件并且可能損壞變送器的電子線路板。雷電流在沿儀表支架流入大地的過程中，產生強大的感應磁場，能通過信號傳輸線路耦合到控制室電子設備內，損壞電子設備。

2）感應雷擊。包括靜電感應和電磁脈沖輻射兩種。

a）靜電感應。當雷云來臨時，地面物體，尤其是導體會聚積大量電荷產生放電，放電電流若進入現場儀表和用電設備，將造成設備損壞。

b）電磁脈沖輻射。雷電流在其通道周圍的空間產生電磁場，向外輻射電磁波，耦合到控制室的計算機、儀表和現場儀器儀表以及各類金屬導體上，產生感應電壓或感生電流，造成設備故障或損壞以致控制系統失靈。

3）雷電過電壓侵入。直擊雷或雷電感應都可能使導線或金屬管道產生過電壓，該雷電過電壓沿各種金屬管道、電纜槽、電纜線路可能將高電位引入儀表系統，造成干擾和破壞。

4）反擊。防雷裝置接閃時，強大的瞬間雷電流通過引下線流入接地裝置，由于大地電阻的存在，雷電電荷不能快速向大地釋放，必然會引起局部地電位上升（可能上百千伏）。如果儀表控制系統的接地體與該點沒有足夠安全距離，它們之間就會產生放電，造成反擊電流，可直接擊穿用電器的絕緣部分，會對儀表控制系統產生干擾乃至破壞。

5）其他因素對儀表的危害。由于大型設備啟停、切投等引起的電網波動，所產生的電涌過電壓是目前電子系統最大的威脅，其危害的程度高于自然雷擊的程度。雷電過電壓、電涌過電壓，均歸于瞬態過電壓（瞬態電涌電流）的范疇之內。

3 RS－485總線接口的抗雷擊技術

在自動化領域，支持多節點、遠距離、成本低和接收靈敏度高的RS－485總線得到了廣泛的應用。RS－485總線采用平衡發送、差分接收的數據收發器來驅動總線，具有抑制共模干擾的能力，接收器的輸入靈敏度為200mV，從而成為工業應用中數據傳輸的首選方式。但是在實際工程中RS－485總線運用仍然存在著很多問題，如阻抗不連續、不支持環型或星型網絡以及共模過電壓等問題，影響了工程的質量。RS－485收發器工作電壓較低（5V左右），其差分輸入端對“地”的共模電壓允許在－7～＋12V之間，超過該范圍的瞬變過壓可能損壞器件。由于RS－485總線實行長距離傳輸，因而極易因為雷擊等原因引入過電壓，雷電引發的瞬變過壓往往導致傳輸線上的多個RS－485收發器損壞，設備無法運行。在有強烈的電涌能量出現時，甚至可以看到收發器爆裂、線路板焦糊的現象，造成巨大的經濟損失。故防雷措施是RS－485技術實際使用中必須考慮的問題，也是提高系統可靠性的重要措施。引起瞬變過壓的來源通常是雷電、靜電放電、電源系統開關干擾等，例如人體接觸芯片的引腳產生靜電放電，其電壓可以高達數十千伏，可使在工作中的器件產生閉鎖而不能運行或使器件受損；而感應雷在RS－485傳輸線上引起的瞬變過壓干擾，其能量可在瞬間燒毀連結傳輸線上的全部器件。一種半導體類氣體防雷管構見的兩級防雷電路，可實現對RS－485接口的防雷擊和過壓保護，如圖1所示。

圖1 RS－485總線的兩級防護電路示意

當雷擊發生時，感應過電壓由T與R端引入，G2，G3進行共模防護，G1進行差模保護，此時過電壓被大幅削弱到約500V左右，再經過電阻R1，R2限流，TVS1／S2二次限壓后，到收發器的電壓被鉗制在6.8V左右，從而實現對收發器的保護。

4 儀表系統防雷的主要措施

儀表系統防雷措施是多方面的，主要包括接閃、均壓、接地、屏蔽、分流等。這些措施必須綜合運用，才能真正達到儀表系統的防雷。

4.1 接 閃

直擊雷的防護主要由建筑物的防雷裝置實現，現場儀表系統的防雷，應和周圍的污油罐等設備的防雷措施一起設計。

4.2 均 壓

當雷擊發生時，在雷電瞬態電流所經過的路徑上將會產生瞬態電位升高，使該路徑與周圍的金屬物體之間形成瞬態電位差。如果這種瞬態的電位差超過了兩者之間的絕緣耐受強度，就會導致介質的擊穿放電，該種擊穿放電能直接損壞儀表設備，也能產生電磁脈沖，干擾儀表系統的正常運行。為了消除雷電瞬態電流路徑與金屬物體之間的擊穿放電，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，儀表控制室內的設備、組件和元件的金屬外殼、金屬設施連接在一起，并且與儀表控制室的防雷接地系統相連接，形成完善的等電位聯結。

4.3 接 地

接地主要有兩種措施：浮地、多點接地。

1）浮地。浮地是指儀表的工作地與建筑物的接地系統保持絕緣，這樣建筑物接地系統中的電磁干擾就不會傳導到儀表系統中，地電位的變化對儀表系統也無影響。但由于儀表的外殼要進行保護接地，當雷電較強時，儀表外殼與其內部電子電路之間可能出現很高的電壓，將兩者之間絕緣間隙擊穿，造成電子線路損壞。

2）多點接地。多點接地是指儀表、PLC等設備的工作接地與保護接地分開，這種接地方式的突出優點是可以就近接地，接地線的寄生電感小。但是如果較強的雷電波通過保護地進入系統，電子電路同樣會因承受高壓而損壞。

由于以上兩種接地方式都不能滿足防雷的需要，因而可以考慮將保護地與工作地相連接，并且接入防雷接地系統。

4.4 屏 蔽

石油化工儀表系統大量采用半導體器件、集成電路和傳遞信號的電纜，由雷擊產生的瞬態電磁脈沖可以直接輻射到這些元器件上，也可以在電源或信號線上感應出瞬態過電壓波，沿線路侵入電子設備，使電子設備工作失靈或損壞。利用屏蔽體來阻擋或衰減電磁脈沖的能量傳播是一種有效的防護措施。儀表系統的防雷屏蔽主要包括三個方面：控制室屏蔽、現場儀表屏蔽、信號線和電源線屏蔽。

1）控制室屏蔽。控制室內的控制系統是儀表系統的核心，對雷電產生的電磁脈沖十分敏感，需要特別注意其屏蔽問題。將房屋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聯結。

2）現場儀表屏蔽。現場儀表可采用金屬的儀表箱（罩）實現防雷屏蔽，儀表箱（罩）要與其他現場的金屬設施實現等電位聯結，并接入防雷接地系統。

3）信號線和電源線屏蔽。為了防止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。就瞬態過壓防護而言，需要信號線或電源線的屏蔽層沿線路多點接地或至少應在線路的首、末兩端接地。當采用多點接地后，各接地點之間的屏蔽層沿線路之間形成回路，低頻干擾電流的電磁場可能會有一部分透過屏蔽層，在電纜的芯護套回路產生低頻干擾，這就要求屏蔽層沿線路只能采取單點接地。為了防止由多點接地所產生的低頻干擾出現，可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，這樣既保證安全，又有利于抑制低頻干擾。

4.5 分 流

分流是防雷的有效措施，就是在儀表系統的信號或通信回路以及儀表的電源部分采用電涌保護器（SPD），用以限制瞬態電壓和分走電涌電流。

5 結束語

該廠所在地每年5～7月份時常有雷雨天氣發生，由于雷擊事件具有隨機性，且放電時間極短（微秒級），在未做儀表防雷措施以前，每次打雷都會有部分儀表出現無法通信或無顯示。

原因分析：配電線路因雷擊跳閘產生的電涌過電壓造成共模電壓超過（－7～12V）使得CPU板中RS－485通信器件損害；雷擊產生的雷擊過電壓超過共模電壓可承受范圍（－7～12V）。

針對以上情況，在該站進行了自動化計量儀表系統防雷改造，加裝了接閃桿防護直擊雷；將儀表間內的設備、電纜槽、構架、電纜金屬外皮接到防感應雷的接地裝置上；對設備進行等電位聯結；在電源總配電箱加裝電涌保護器；通信線路采用雙屏蔽電纜并全線穿管屏蔽防止雷電電涌入侵；在室外儀表接線箱內加裝直流電源電涌保護器和RS－485信號電涌保護器。經過以上改造，截至目前該站暫無因雷擊造成的儀表損害。

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