石油化工儀表系統(tǒng)的防雷隱患及防雷技術分析

劉玉豪

（中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司設計研發(fā)中心，天津 300452）

1 雷擊對石油化工生產(chǎn)的影響

1）雷電直擊影響。雷電直擊發(fā)生的時間極短，但是造成的影響較為嚴重，能夠直接破壞儀表設備線路，尤其在強大的電流作用下，會導致石油化工儀表傳感器膜件受損，嚴重時整個線路無法工作，使儀表控制系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。在雷電直擊后，還會引發(fā)火災安全事故，嚴重威脅工作人員的人身安全，而且還需要支出較大維修成本，不利于提高企業(yè)的經(jīng)濟效益[1]。

2）雷電感應影響。雷電感應，又稱位置應感雷，它能對石油化工企業(yè)的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)造成不同程度的影響。雷電感應產(chǎn)生的過程中，在地面物體上會分布較為聚集的電荷，特別是呈尖端性狀的一些物體，極易在尖端位置形成聚集分布，當大量的電荷積累到一定程度時，就會發(fā)生電荷放電情況。當電荷進入到儀表系統(tǒng)時，就會造成系統(tǒng)出現(xiàn)損壞問題，同時電磁脈沖也會同步出現(xiàn)，引發(fā)不同程度的輻射問題。在此過程中，電磁波會向外部發(fā)生輻射，有可能干擾儀表系統(tǒng)的正常運行，導致儀表系統(tǒng)內部出現(xiàn)感應電動勢和感應電流等問題，引起儀器設備發(fā)生一系列的故障問題。

3）電壓影響。電壓對石油化工所帶來的生產(chǎn)問題，是在雷電直接或者雷電感應的影響下，使金屬管內部發(fā)生電壓變化，如果高電位的電壓進入到石油化工的儀表系統(tǒng)時，會使金屬管道和電線線路的電壓發(fā)生變化，不僅會使儀表系統(tǒng)受到電磁干擾，還有可能發(fā)生損壞現(xiàn)象。

2 石油化工儀表系統(tǒng)的防雷隱患

石油化工可包含PLC 控制系統(tǒng)、DCS 控制系統(tǒng)和FCS 控制系統(tǒng)，這三種控制系統(tǒng)都具有防雷保護功能，而且防雷保護功能和儀表系統(tǒng)的類型、電壓有著極為密切的關系。儀表設備在應用過程中存在著很多不足之處，比如沒有良好的絕緣性能、不具備較強的耐受力等，如果遇到雷雨天氣或者直接遭受雷擊，都會對儀表系統(tǒng)造成一定程度的損壞，而后續(xù)產(chǎn)生的后果有可能是無法估量的，輕則只損壞儀表系統(tǒng)，無法正常運行或者需要更換新設備，重則發(fā)生安全事故，造成人員傷亡。DSC 控制系統(tǒng)是石油化工儀表系統(tǒng)的主要組成部分，對整個石油生產(chǎn)起著重要的指揮作用，但是DSC 控制系統(tǒng)的構成較為復雜，而且不具備抗干擾性，是一個弱電控制系統(tǒng)，因此遇到雷雨惡劣天氣，就很容易發(fā)生雷擊情況，此時儀表設備會受到不同程度的損壞，也有可能在雷電的入侵下，整個DSC 控制系統(tǒng)無法繼續(xù)正常工作，極大降低了石油化工的生產(chǎn)效率和質量。在對石油化工進行防雷設計時，大多將設計重點放在供配電系統(tǒng)之上，比較側重于供配電系統(tǒng)的防雷設計，對DCS 控制系統(tǒng)和該系統(tǒng)的儀表設備的二次防雷設計有所忽視，導致在實際運行時DCS 控制系統(tǒng)極易受到雷擊損壞。從目前DCS 控制系統(tǒng)和該系統(tǒng)儀表設備發(fā)生雷擊的情況來看，導致雷擊的主要是兩種原因，即地電位反擊和雷電感應，而這兩種情況采用分流法進行防雷預防。在進行雷電防御過程中，可在DCS 控制系統(tǒng)的回路通道上安裝浪涌保護器，這樣不但能保護DCS 控制系統(tǒng)的供電電源和通信回路等，還能保證儀表設備正常發(fā)揮信號，但是只能在某個回路通道上安裝浪涌保護器，以此來起到局部保護作用，并不能對整個系統(tǒng)的回路和通道進行保護，因此適用于局部保護儀表系統(tǒng)，對于整個儀表系統(tǒng)沒有較為顯著的防雷保護效果[2]。

3 石油化工儀表系統(tǒng)防雷技術分析

3.1 直擊雷防護措施

在對石油化工進行直擊雷防護措施時，可有效保護該區(qū)域的地面建筑物和室內儀器設備，避免它們發(fā)生雷擊損壞，因此，直擊雷防護措施是一項較為基礎的防雷手段。此種防雷技術的應用需要在地面的控制室上方選擇合適位置，在此位置安裝避雷裝置或者設計相應的避雷帶。在進行安裝時，需要根據(jù)安裝地點的實際情況選擇合適的安裝方式。如果地面控制室是獨立性的建筑物，則需采用設計避雷帶方式，此方式可與地下線路進行連接，將雷電現(xiàn)象帶來的雷電沖擊力傳輸?shù)降孛妫瑥亩稚⒗讚魮p壞，起到有效的雷電防護作用；如果地面控制室和生產(chǎn)線在同一建筑物中，不具有相對的獨立性，那么需考慮安裝避雷裝置是否會影響到石油化工成產(chǎn)及其生產(chǎn)環(huán)境。在避雷裝置和引下線進行連接時，應避免和控制室、生產(chǎn)線的電路連接，盡量防止電路之間出現(xiàn)相互交錯的情況，這樣能夠有效避免發(fā)生電磁感應，從而起到直擊雷防護效果[3]。

3.2 等電位連接防護措施

石油化工企業(yè)在應用防雷技術時，需要對企業(yè)的建筑物和地面控制系統(tǒng)進行有效的防雷預防，而等電位連接技術的應用效果較為明顯。應用此項防雷技術對引下線進行連接時，需要將地面防雷裝置和引下線保持在相等水平的點位上，并在安裝地面防雷裝置時，使前面的電位和引下線連接的底線防雷系統(tǒng)產(chǎn)生相同的電位，此時就可以發(fā)揮等電位連接的防雷作用。如果遇到雷雨天氣，等電位連接的防雷設備可產(chǎn)生瞬時電流，此時在防雷技術的作用下，可避免與金屬設備之間出現(xiàn)雷擊穿情況，有效保護了控制系統(tǒng)和儀表設備，使儀表系統(tǒng)不會因為雷擊穿而發(fā)生不可挽回的損壞。為了有效防止石油化工的儀表系統(tǒng)出現(xiàn)雷擊穿現(xiàn)象，在連接引下線時，需要仔細檢查所有金屬制品，比如生產(chǎn)設備、控制系統(tǒng)的儀器設備和其他設備中的金屬組件，將這些金屬設備連接成一個整體結構，再通過引下線將其中的電流分散到地下防雷裝置中，從而起到分散防雷保護作用[4]。

3.3 屏蔽防雷措施

石油化工儀表系統(tǒng)較為復雜，其中包含了大量的半導體配件、集成電路及傳遞信號的電路線纜，在雷雨天氣時，如果發(fā)生雷擊中現(xiàn)象會產(chǎn)生瞬時電磁沖脈，這些瞬時電磁脈沖可以直接導入到半導體配件中，也有可能在電源線和信號線上發(fā)生瞬時的過電壓波，在這兩種情況下，所產(chǎn)生的電磁脈沖和過電壓波都會順延線路輸送到儀表系統(tǒng)和電子設備中，進而影響儀表系統(tǒng)和電子設備的正常運行，使系統(tǒng)發(fā)生損壞或者失靈的情況。為了避免儀表系統(tǒng)發(fā)生以上情況，可將屏蔽防雷措施應用到系統(tǒng)之中，這樣能夠利用屏蔽體的防雷作用，阻擋或者降低電磁脈沖的能量傳播，從而保證儀表系統(tǒng)的正常運行。儀表系統(tǒng)的防雷屏蔽可包含控制室屏蔽、現(xiàn)場儀表屏蔽、信號線和電源線屏蔽。

（1）控制室屏蔽。控制室內部的控制系統(tǒng)是儀表系統(tǒng)的重要組成部分，起著極為關鍵的作用，它能夠靈敏地感受雷電產(chǎn)生的電磁脈沖，此時就需要格外注意此系統(tǒng)的屏蔽問題。儀表控制室是無窗結構，具有較強的封閉性，房屋墻壁是由鋼筋構造而成，在鋼筋交點位置進行電氣連接，再與金屬門框進行焊接，就可以構造成一個帶門且有開口的屏蔽籠，也稱之為法拉第籠，接著在控制室內墻壁上選擇合適的位置，在四周墻壁上制作一圈保護接地環(huán)，在其中介入防雷地，此時接地環(huán)可與屏蔽籠進行良好的電氣連接，從而對控制室進行防雷屏蔽保護作用。

（2）現(xiàn)場儀表屏蔽。在對現(xiàn)場儀表進行防雷保護時，可采用進出材質儀表箱或者儀表罩對儀表設備進行防雷屏蔽保護，儀表箱或儀表罩可與現(xiàn)場的金屬設備進行等電位連接，再連接到防雷接地系統(tǒng)中，從而起到相應的雷電防護。

（3）信號線和電源線屏蔽。信號線和電源線在雷電的電磁脈沖作用下，會產(chǎn)生瞬態(tài)過壓電波，為了避免過壓電波的產(chǎn)生，可將經(jīng)過屏蔽層的線纜應用在信號線和低壓電源線之中。對瞬態(tài)過壓電波進行雷電防御時，需要沿著信號線和電源線的屏蔽層進行多點接地，或者在信號線和電源線的首末兩端位置進行接地。在進行多點接地時，極易受到低頻電磁干擾，此時可在金屬管內插入電纜，或者將雙屏蔽電纜應用在信號線和電源線之中，采用這兩種方式能夠對外屏蔽層進行多點接地，對內屏蔽層可實現(xiàn)一端接地，不僅能增強信號線和電源性的安全性，還能使其避免受到低頻電磁的干擾[5]。

對外部電纜進行走線槽時，可采用金屬材質的線纜，并將雙層屏蔽和接地措施應用到其中，對于I/O電纜、電源電纜、通信電纜在控制室外的鋪設部分，需要先進行雙層屏蔽，再將以上線纜進行埋地防護，特別是在控制室外的15m 范圍內，一定要進行有效的屏蔽防雷措施。

3.4 接地防雷措施

在石油化工儀表系統(tǒng)中安裝接地防雷措施，能夠對人身和設備起到有效的雷電防護作用。接地防雷措施能夠避免儀表系統(tǒng)的電子設備在雷電入侵情況下發(fā)生浪涌沖擊作用，為低阻抗接地故障的電流提供回路通道。在雷電發(fā)生時，有可能在儀表設備上聚集靜電，而接地防雷措施能夠為電子設備創(chuàng)設低阻抗泄漏通道，同時，還能為有效保護儀表系統(tǒng)，為其提供低阻抗的公共信號參考點，將系統(tǒng)的電磁干擾降低至最小值。儀表控制系統(tǒng)的結構復雜，屬于弱電系統(tǒng)，為了保證儀表控制系統(tǒng)不受雷電干擾，在接地系統(tǒng)中需采用獨立地網(wǎng)系統(tǒng)，為了保持其獨立性，需要和建筑物的防雷接地網(wǎng)和電氣系統(tǒng)的接地網(wǎng)分開處理，此種方式能使儀表控制系統(tǒng)在正常情況下不受外界的干擾，但也存在一個弊端，如果建筑物和電氣系統(tǒng)發(fā)生雷擊現(xiàn)象，也有可能造成儀表系統(tǒng)的設備內外出現(xiàn)高電位差，在這種情況下極易造成設備損壞。在應用聯(lián)合地網(wǎng)的過程中，可將儀表控制系統(tǒng)接地網(wǎng)、建筑物防雷接地網(wǎng)和電氣系統(tǒng)的接地網(wǎng)構成統(tǒng)一的地網(wǎng)結構，有效解決點位反擊問題，與此同時，還能保護接地網(wǎng)，減少接地電阻和電磁干擾，對于儀表控制系統(tǒng)的防雷保護起著十分關鍵的作用[6]。

3.5 安裝浪涌保護器防雷措施

在石油化工儀表系統(tǒng)正常運行的過程中，如果遇到雷電天氣有可能遭受雷擊，此時雷擊電流會進入到儀表控制系統(tǒng)，但是進入的電流高于儀表設備所能承受的電流值，很容易使系統(tǒng)內部的電子元件被擊穿。為了避免以上情況的出現(xiàn)，可將浪涌保護器安裝到儀表系統(tǒng)中，它能夠在系統(tǒng)中起到自動檢測作用，實時檢測系統(tǒng)內部的電流值，如果電流值超過設備所能承受的范圍就會進行自動切換，有效保護電流回路，將強大的雷擊電流導入到地下防雷裝置中，并對輸出的電壓進行科學合理的處理，將其控制在安全電壓范圍內。雖然這種方式不能防止雷擊現(xiàn)象，但是可以盡最大程度保護儀表設備，使石油化工生產(chǎn)不受儀表設備損壞的影響。在浪涌保護器實際應用過程中，可以科學合理地控制電流回路，再利用此優(yōu)勢可對進入電力線和信號線的瞬態(tài)電壓進行有效的限制，將其約束在較小的范圍內，避免由于電壓過高而發(fā)生雷擊穿現(xiàn)象，同時還能對電子設備起到有效雷電防護作用。

3.6 規(guī)范布線防雷措施

在石油化工企業(yè)中所應用的儀表控制系統(tǒng)中，整體內部線路構造較為繁瑣，而且系統(tǒng)還包含了各種儀表設備，傳輸線構造不盡相同。所以，使儀表控制系統(tǒng)具有規(guī)范合理化，能夠有效降低應用過程中發(fā)生雷擊風險。在安裝線路的過程中，如果工作人員將各種不同型號的線路混亂地布置在一起，那么在系統(tǒng)運行過程中，會發(fā)生信號相互干擾的情況。一旦受到雷擊災害，儀表控制系統(tǒng)的線路就會被瞬時超大電流擊穿，整個線路都會在相互干擾的作用下發(fā)生不同程度的損壞，而且這種損壞是不可逆轉的。在雷擊災害下形成的設備損壞，會使起著核心作用的控制系統(tǒng)受到創(chuàng)傷，導致企業(yè)的儀表設備無法正常工作，影響石油化工的正常生產(chǎn)，還會增加企業(yè)的運行維修成本，拖延生產(chǎn)工期。因此，在對儀表控制系統(tǒng)進行布線時，需要嚴格按照相關標準要求和儀表系統(tǒng)的實際情況進行規(guī)范化操作，使布線具有科學合理性，最大程度減低雷電災害的損壞率。

4 結束語

石油化工是促進我國國民經(jīng)濟快速增長的主要產(chǎn)業(yè)之一，儀表系統(tǒng)是石油化工生產(chǎn)的中心，對整個企業(yè)的生產(chǎn)運行起著極為重要的作用。為了保證石油化工正常生產(chǎn)運轉，需要做好儀表系統(tǒng)的保護工作，尤其是加強雷電防御措施。在開展雷電防御過程中，應先認真分析雷電災害對石油化工生產(chǎn)的影響和儀表控制系統(tǒng)存在的防雷隱患，再根據(jù)不同的問題制定科學合理的解決策略，做好直擊防雷措施、等電位防雷措施、屏蔽防雷措施、接地防雷措施。在此基礎上合理安裝浪涌保護器和規(guī)范布線，使儀表系統(tǒng)更具安全可靠性，從而保證整個系統(tǒng)的正常運轉，為石油化工生產(chǎn)奠定良好的基礎。