一,、前 言

近年來(lái),，石油化工企業(yè)的規(guī)模、數(shù)量不斷擴(kuò)大,、增加,，儀表系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向迅猛發(fā)展,，而儀表設(shè)備普遍存在絕緣強(qiáng)度低,、過(guò)電壓和過(guò)電流耐受能力差,、對(duì)電磁干擾敏感等弱點(diǎn)，一旦儀表設(shè)備受到直接雷擊或其附近區(qū)域發(fā)生雷擊,，雷電過(guò)電壓,、過(guò)電流和脈沖電磁場(chǎng)會(huì)通過(guò)供電線(xiàn)、儀表信號(hào)線(xiàn),、電纜匯線(xiàn)槽,、穿線(xiàn)管等途徑到達(dá)儀表設(shè)備，威脅儀表設(shè)備的正常工作和安全運(yùn)行,。

如果防護(hù)不當(dāng),，輕則使儀表設(shè)備工作失靈，重則使儀表設(shè)備永久性損壞,，嚴(yán)重時(shí)還可能造成人員傷亡,、生產(chǎn)事故。

因此,，現(xiàn)代石油化工儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須高度重視防雷的設(shè)計(jì),。

二,、石油化工儀表系統(tǒng)防雷的回顧

國(guó)內(nèi)目前在設(shè)計(jì)石油化工儀表系統(tǒng)時(shí),，基本上沒(méi)有考慮防雷問(wèn)題，但國(guó)外在這方面已經(jīng)有了近20 年的研究和使用經(jīng)驗(yàn),。國(guó)內(nèi)一些石油化工廠常常因?yàn)樵馐芾讚?，使控制系統(tǒng)癱瘓，造成裝置停車(chē),，經(jīng)濟(jì)損失巨大,。于是，采取了一些補(bǔ)救的防雷措施,，主要是采取分流法,，就是在儀表系統(tǒng)的信號(hào)或通訊回路以及系統(tǒng)的供電電源部分采用浪涌保護(hù)器SPD（Surge ProtectiveDevice），用以限制瞬態(tài)過(guò)電壓和分走浪涌電流,。但一個(gè)SPD 只能為回路的某部分提供保護(hù),；例如，一個(gè)安裝在DCS 控制室的SPD只能對(duì)DCS的卡件通道提供保護(hù),；一個(gè)安裝在現(xiàn)場(chǎng)變送器輸出的SPD只能對(duì)變送器提供保護(hù),。如果所有的I/O通道都裝SPD，成本將大幅度上升,；再則,，如果每個(gè)回路都增加兩個(gè)SPD的話(huà)，由于SPD本身也會(huì)出現(xiàn)故障（在生產(chǎn)實(shí)踐中已證明了這一點(diǎn)）,，儀表系統(tǒng)的故障率將會(huì)大大增加,。

因此,，國(guó)內(nèi)某些石油化工廠也只能在一些相對(duì)重要的場(chǎng)合部分地使用SPD，保護(hù)也只局限于現(xiàn)場(chǎng)儀表或控制室DCS,、PLC 等,，沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)儀表系統(tǒng)的整體防雷。

三,、雷擊對(duì)儀表系統(tǒng)的危害形式

雷擊從形式上可分為直接雷擊與感應(yīng)雷擊兩種,，對(duì)儀表系統(tǒng)可能產(chǎn)生的危害形式劃分為下列幾種：

1. 直接雷擊

雷電直接擊中現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備或與之連接的管路，通常會(huì)損壞儀表的傳感器模件并且可能損壞變送器的電子線(xiàn)路板,。雷電流在沿儀表支架流入大地的過(guò)程中,，產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)磁場(chǎng)，能通過(guò)信號(hào)傳輸線(xiàn)路耦合到控制室DCS 等電子設(shè)備內(nèi),，損壞DCS 等電子設(shè)備,。

2. 感應(yīng)雷擊

（1）靜電感應(yīng)。當(dāng)雷云來(lái)臨時(shí),，地面物體,，尤其是導(dǎo)體聚積大量電荷產(chǎn)生放電，放電電流若進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)儀表和用電設(shè)備,，造成設(shè)備損壞,。

（2）電磁脈沖輻射。雷電流在其通道周?chē)目臻g產(chǎn)生電磁場(chǎng),，向外輻射電磁波,，耦合到控制室的計(jì)算機(jī)、儀表和現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表,，以及各類(lèi)金屬導(dǎo)體上,，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感生電流，造成設(shè)備故障,，損壞以致控制系統(tǒng)失靈,。

3. 雷電過(guò)電壓侵入

直接擊雷或雷電感應(yīng)都可能使導(dǎo)線(xiàn)或金屬管道產(chǎn)生過(guò)電壓，此雷電過(guò)電壓沿各種金屬管道,、電纜槽,、電纜線(xiàn)路就可能將高電位引入儀表系統(tǒng)，造成干擾和破壞,。

4. 反擊

防雷裝置接閃時(shí),，強(qiáng)大的瞬間雷電流通過(guò)引下線(xiàn)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泄放,，必然會(huì)引起局部地電位上升（可能上百千伏），如果儀表控制系統(tǒng)的接地體與該點(diǎn)沒(méi)有足夠安全距離,，它們之間就會(huì)產(chǎn)生放電,，造成反擊電流,，可直接擊穿用電器的絕緣部分，會(huì)對(duì)儀表控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾乃至破壞,。

四,、儀表系統(tǒng)防雷的主要措施

對(duì)于侵入儀表系統(tǒng)雷害的治理的措施是多方面的，主要包括接閃,、分流,、均壓、接地和屏蔽等,。這些措施必須綜合運(yùn)用,，才能真正達(dá)到儀表系統(tǒng)的防雷。目前石油化工儀表系統(tǒng)所采取的防雷措施如下：

1. 接閃

直接雷擊的防護(hù)主要由建筑物的防雷裝置實(shí)現(xiàn),，現(xiàn)場(chǎng)儀表系統(tǒng)的防雷,，應(yīng)和周?chē)膬?chǔ)油罐等設(shè)備的防雷措施一起設(shè)計(jì)。

2. 均壓

當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí),，在雷電瞬態(tài)電流所經(jīng)過(guò)的路徑上將會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電位升高,，使該路徑與周?chē)慕饘傥矬w之間形成瞬態(tài)電位差，如果這種瞬態(tài)的電位差超過(guò)了兩者之間的絕緣耐受強(qiáng)度,，就會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)的擊穿放電,，這種擊穿放電能直接損壞儀表設(shè)備，也能產(chǎn)生電磁脈沖,，干擾儀表系統(tǒng)的正常運(yùn)行,。為了消除雷電瞬態(tài)電流路徑與金屬物體之間的擊穿放電,，可以將所有現(xiàn)場(chǎng)儀表的所有金屬外殼,、構(gòu)架、生產(chǎn)裝置的金屬設(shè)備,、設(shè)施,、儀表控制室內(nèi)的設(shè)備、組件和元件的金屬外殼,、金屬設(shè)施連接在一起,，并且與儀表控制室的防雷接地系統(tǒng)相連接，形成完善的等電位連接,。

3. 接地

目前國(guó)內(nèi)石油化工儀表系統(tǒng)的接地主要有兩種措施：浮地,、多點(diǎn)接地。

（1）浮地是指儀表的工作地與建筑物的接地系統(tǒng)保持絕緣,，這樣建筑物接地系統(tǒng)中的電磁干擾就不會(huì)傳導(dǎo)到儀表系統(tǒng)中,，地電位的變化對(duì)儀表系統(tǒng)也無(wú)影響。但由于儀表的外殼要進(jìn)行保護(hù)接地,，當(dāng)雷電較強(qiáng)時(shí),，儀表外殼與其內(nèi)部電子電路之間可能出現(xiàn)很高的電壓,，將兩者之間絕緣間隙擊穿，造成電子線(xiàn)路損壞,。

（2）接地是指儀表,、DCS、PLC 等設(shè)備的工作接地與保護(hù)接地分開(kāi),，這種接地方式的突出優(yōu)點(diǎn)是可以就近接地,，接地線(xiàn)的寄生電感小。但是如果較強(qiáng)的雷電波通過(guò)保護(hù)地進(jìn)入系統(tǒng),，電子電路同樣會(huì)因承受高壓而損壞,。由于以上兩種接地方式都不能滿(mǎn)足防雷的需要，因此,，可以考慮將保護(hù)地與工作地相連接,，并且接入防雷接地系統(tǒng)，問(wèn)題就可以解決了,。

4. 屏蔽

石油化工儀表系統(tǒng)大量采用半導(dǎo)體器件,、集成電路和傳遞信號(hào)的電纜，由雷擊產(chǎn)生的瞬態(tài)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(hào)線(xiàn)上感應(yīng)出瞬態(tài)過(guò)電壓波,，沿線(xiàn)路侵入電子設(shè)備，使電子設(shè)備工作失靈或損壞,。利用屏蔽體來(lái)阻擋或衰減電磁脈沖的能量傳播是一種有效的防護(hù)措施,。儀表系統(tǒng)的防雷屏蔽主要包括三個(gè)方面：控制室屏蔽、現(xiàn)場(chǎng)儀表屏蔽,、信號(hào)線(xiàn)和電源線(xiàn)屏蔽,。

（1）控制室屏蔽

控制室內(nèi)的控制系統(tǒng)是儀表系統(tǒng)的心臟，對(duì)雷電產(chǎn)生的電磁脈沖十分敏感,，需要特別注意其屏蔽問(wèn)題,。儀表控制室應(yīng)是無(wú)窗的封閉結(jié)構(gòu)，將房屋墻壁中的結(jié)構(gòu)鋼筋交點(diǎn)處電氣連接,，并與金屬門(mén)框焊接,，構(gòu)成一個(gè)帶門(mén)開(kāi)口的屏蔽籠，在室內(nèi)沿墻壁四周再做一圈保護(hù)接地環(huán)（接入防雷地）,，接地環(huán)與屏蔽籠進(jìn)行有效的電氣連接,。

（2）現(xiàn)場(chǎng)儀表屏蔽

現(xiàn)場(chǎng)儀表可采用金屬的儀表箱（罩）實(shí)現(xiàn)防雷屏蔽，儀表箱（罩）要與其它現(xiàn)場(chǎng)的金屬設(shè)施實(shí)現(xiàn)等電位連接,，并接入防雷接地系統(tǒng),。

（3）信號(hào)線(xiàn)和電源線(xiàn)屏蔽

為了防止雷電電磁脈沖在信號(hào)或電源線(xiàn)路上感應(yīng)出瞬態(tài)過(guò)電壓波，所有的信號(hào)線(xiàn)及低壓電源線(xiàn)都應(yīng)采用有金屬屏蔽層的電纜,。就瞬態(tài)過(guò)壓防護(hù)而言,，需要信號(hào)線(xiàn)或電源線(xiàn)的屏蔽層沿線(xiàn)路多點(diǎn)接地或至少應(yīng)在線(xiàn)路的首,、末兩端接地。當(dāng)采用多點(diǎn)接地后,，各接地點(diǎn)之間的屏蔽層沿線(xiàn)路之間形成回路,，低頻干擾電流的電磁場(chǎng)可能會(huì)有一部分透過(guò)屏蔽層，在電纜的芯-護(hù)套回路產(chǎn)生低頻干擾,，這就要求屏蔽層沿線(xiàn)路只能采取單點(diǎn)接地,。為了防止由多點(diǎn)接地所產(chǎn)生的低頻干擾，可將電纜穿入金屬管內(nèi)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(diǎn)接地,，金屬管內(nèi)或雙屏蔽電纜的內(nèi)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,。

5. 分流

分流是防雷的有效措施，由于儀表回路太多,，不可能在每個(gè)儀表回路中都使用SPD,，必須有選擇地在重要回路和系統(tǒng)電源回路中安裝SPD 或避雷器。

五,、總 述

為了達(dá)到石油化工儀表系統(tǒng)的防雷,，要對(duì)整個(gè)生產(chǎn)裝置根據(jù)等電位連接的原則加以設(shè)計(jì)，從控制室,、現(xiàn)場(chǎng)儀表,、儀表信號(hào)和電源線(xiàn)等多方面綜合考慮，采用接閃,、分流,、均壓、接地,、屏蔽等多種措施,，需要電氣、建筑,、自控等專(zhuān)業(yè)協(xié)同合作來(lái)實(shí)現(xiàn)，除了考慮系統(tǒng)安全性以外,，還要考慮投資的成本,、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。