化工裝置儀表自控系統的防雷措施

周 桐

（山東華魯恒升化工股份有限公司，山東德州 253024）

0 引言

現階段，儀器儀表的自動控制技術在化工領域得到廣泛深入的應用，但其運行過程中對雷電自然災害的防護能力仍存在較大缺陷，技術研發具有較大上升空間。化工企業、設計部門及制造商應當加快對儀表及控制系統抗雷電干擾方案的研究步伐與力度，基于各設備的工作特點、雷電對其影響的原理及特征，進行多次科學試驗，力求研發出化工儀表及控制系統對防雷效果顯著的設備或技術方案。

1 雷電對化工裝置儀表自控系統的危害

通常來說，化工裝置遭受雷擊的頻率是相當高的，尤其是雷暴日較多的沿海地區，雷電對儀表及控制系統造成不同程度的損害，嚴重影響企業的經濟效益。目前，主要防雷措施為分流法，即在現場儀表及控制系統的信號回路兩端安裝浪涌保護器（SPD），可對過電壓與過電流起到即時限制作用[1]。考慮到成本因素，大多數單位只對部分關鍵控制回路的現場儀表端和控制系統側設置了SPD。如果每個I/O 通道都裝置有SPD，在一定程度上會增加經濟成本，也會相對提升風險率，SPD 的故障增加了整套儀表自控系統的維修率。因此，化工企業通常只會在相對重要部位安置浪涌保護器，這樣無法全面有效改善防雷問題。

1.1 雷擊直接侵入

儀表系統所遭受雷電的直接襲擊，主要是擊中設備自身、運行系統以及各種連接管路，繼而破壞傳感器的模件、變送器電子線路板等部件，致使系統無法正常運行[2]。同時，雷電流通過將儀表支架作為傳播載體，瞬間導向大地，產生強力的感應磁場，對傳輸系統信號的線路造成癱瘓性破壞，再將電流耦合到控制室的各個電子設備，例如DCS 設備，對設備造成不同程度和種類的破壞。

1.2 感應雷擊

感應雷擊，即雷電未直接擊中儀表自控系統的任一部分，而是雷擊導線或是在儀器儀表設備周圍，因靜電與電磁感應在導線或儀器儀表設備上造成過電壓。主要表現形式分為2 種。

1.2.1 靜電感應

靜電感應會對裝置儀表自控系統產生相應破壞，主要是雷電發生時，由于雷云雨電場會產生一定的作用，金屬類線纜上面會有大量電荷依附，隨著大量電荷的累積，會造成化工裝置儀表自控系統設備產生放電現象。若電荷與化工裝置儀表自控系統的電量的電位差較大時，因為靜電感應而產生電荷，會進入到相關系統設備，然后會對運行系統造成損害，導致運行系統癱瘓，嚴重時也會造成死亡性破壞。

1.2.2 電磁感應脈沖輻射

雷電流對周圍空間地形的電能強力且持續性輸出影響后形成強力電磁場，而后利用電磁場向周圍產生電磁波輻射，形成電磁脈沖輻射。在此情形下，設備控制室同樣也會產生不可避免的耦合效應，其危害范圍主要波及到儀表、儀器、計算機以及各設備的基礎導體等，所產生的感應電流或電勢對設備造成不同程度的嚴重破壞。

1.2.3 地電位反擊

接閃器在電流接閃時，重大的即時過電流將經過引下線引入接地極。雷電流在其釋放過程中，通過連接導體上產生的高電壓對其周圍所有物體發生電擊活動，該現象即稱為雷電反擊。因大地具有一定程度的電阻效能，雷電流在向大地釋放過程中，某局部電位會迅速且持續性增加。若兩套接地極系統的安全距離設計不規范，接地極之間則會產生極高的電位差。繼而形成巨大的即時反擊電流，直接影響儀表自動化控制系統的正常運行，致使其癱瘓甚至更嚴重的破壞。

2 儀表自控系統的防雷措施

2.1 接閃處理

設計接閃系統時，基本來說，必須根據工藝裝置、控制室、機柜室等建筑的結構型式等綜合因素，設計合理、全面的防雷措施。例如對現場某個儀表自控系統的防雷設計，應當根據其周圍裝置的工藝、結構進行配套設計，防止耦合效應或形成極高的電位差等。

2.2 等電位連接

雷電產生電流的即時電壓非常高，同時連帶到周圍金屬物質再次加劇高壓，期間會衍生擊穿放電的擊穿電壓，對儀表設備造成直接性破壞。同時電磁場也會產生不同程度的波動，干擾儀表總控系統的正常運行。因此，為確保儀表裝置與各設備之間水平電位相同，首先是嚴格對照處理裝置區內的基礎設施，將各設施聯合接入防雷接地網，促使雷電產生電流時各設備間承載的負荷趨于均勻，可有效消減雷擊對各設備的損壞程度。

2.3 接地系統的設置

現階段化工儀表系統的防雷接地措施主要包括浮地接地和多點接地。若通信系統的“工作區域”、“保護區域”與“防雷區域”是分散安裝，未聯合開展而自成系統，即為“分設接地系統”。此類接地方式突出的優勢在于可施展就近接地，接地線的附著電感較小。但是如果在保護區系統內侵入了較強力的雷電波，其高壓同樣也會損壞電子電路。若三者聯合設置，建設成統一性的接地系統，則是合設接地系統。合設接地系統有效消解不同接地點產生不同程度的電位差，當發生雷擊時，可有效控制且阻斷不同接地點間產生的放電現象。

2.4 信號線路的防護

線路傳輸過程中，雷電衍生雷電波，在其線路上產生的瞬間沖擊感應值較強。因此對于儀表自動控制系統，首先是可承受住能量較大的即時沖擊[3]。絕大部分儀表帶集成電路板，其控制系統由于電子元器件的中心集成化而導致耐壓及其耐過流水平降低。儀表控制系統的回路設置中，部分電子設備因其承載較多電壓而損壞電路器件，因此在儀表系統中遭受雷擊較為密集且嚴重的部分應當再次施加SPD 設備。主要措施如下。

（1）現場儀表設備的SPD 安裝。現場安裝過程中，確保SPD處于防爆盒內，對于儀表的保護裝置及其防爆設備的設置必須同步施加進等電位保護。安裝現場各變送器時，必須采用具有多級浪涌電壓保護效能的管形SPD。常見安裝方式如圖1 所示[4]。

圖1 分離安裝在保護箱中電涌防護器與被保護儀表接線

（2）控制室設備的SPD 安裝。基于現場安裝SPD 之后，再安裝控制室的SPD。安裝過程中，為確保設置保護后的信號線路能夠防止藕合高壓等不良現象的產生，同樣必須分開進線與出線的設置。接地系統的匯總端必須就近安排于防雷設備周圍。在控制室內與現場對應的設備，也必須采用具有多級浪涌電壓保護功能的SPD 設備。接線原理如圖2 所示[4]。

圖2 電涌防護器機柜內的接地基本原理

2.5 屏蔽和保護措施

化工儀表裝置使用的電纜，普遍情況下都包括了半導體器件、信號傳遞線路和集成電路。因雷擊的產生出現即時性電磁脈沖，會直接連帶輻射到電纜。即時過電壓波在電源或信號電路上，也能同時被感應和監測到，接著再通過線路進入電子設備，從而影響電子設備的正常運行，引起電子設備運行系統癱瘓或其他類型損壞。另外，需要搭建可屏蔽設施，用于屏蔽或降低電磁脈沖產生的能量及電磁脈沖的傳播速度，是防護優化措施中比較顯著的防護措施之一[5]。儀表系統中的防雷屏蔽措施主要是通過控制室進行屏蔽，還有現場儀表的屏蔽，加上信號線路和電源線路的屏蔽，才能達到防雷效果。

2.5.1 控制室屏蔽

儀表整體裝置運行系統中的重要核心點就是控制室屏蔽，控制室屏蔽對于雷電所產生的電磁脈沖影響有著極高感應，因此，需要提高控制室屏蔽的防護。儀表控制室的構建普遍情況下采用無窗的封閉形式以及鋼筋交叉點的結構，構建出屏蔽室，在室內沿墻壁的四周設置安裝一圈保護接地環，也叫連接防雷地，才能有效將接地環與屏蔽室進行電氣連接。

2.5.2 現場儀表屏蔽

針對現場儀表設備的屏蔽保護，主要通過使用金屬儀表外罩，以起到防雷屏蔽保護作用。儀表的外罩務必要和現場其他類型的金屬設施，搭建出等電位承接。為防止雷電電磁脈沖在信號或電源線路上，產生強力較高的即時過電壓波。所有信號線一般采用總屏+分屏的結構型式，使用包含金屬屏蔽層的電纜，才能有效進行信號線與電源線的屏蔽保護。

針對瞬態過壓防護措施，信號線和電源線的屏蔽層不能在線路的首端和末端同時接地。因為設置線路的多點接地后，系統中各個接地點之間的屏蔽層，會順著線路產生一定回路。由于低頻干擾電流的電磁場會通過屏蔽層，在電纜的芯護套回路中產生部分低頻干擾。因此，屏蔽層只能應用單點接地。為避免因為多點接地而引起的低頻干擾影響，電纜采用金屬穿線管進行保護。這樣，可有效抑制低頻干擾產生的不良影響，繼而增強防雷措施的有效性，提高裝置安全性。

3 化工裝置防雷措施的注意事項

（1）化工裝置儀表自控系統設備的運行過程中，需做到“運監同步”，即運行過程中必須同步監控，檢查設備運行的各個重要部位，盡早挖掘潛在風險，及時解決問題，消除隱患。

（2）必須定期檢測電涌防護器的運行狀況，發現擊穿或失效，應及時更換。

4 結語

化工裝置儀表自控系統的防雷接地工程較為繁雜，涉及范圍較廣，雖然不同地區所遭受雷電的危害程度各不相同，但受害概率較高。對此，應該基于自動控制系統及儀表設備的運行特點，結合現場儀表設備防雷、等電位連接、防涌浪保護器的設置以及信號電纜的保護與屏蔽、接地構建等方法來切實完善防雷工作。將雷擊對設備的災害程度降低至最低范圍，確保化工裝置儀表自控系統乃至整個工藝裝置的安全穩定運行。