儀表設(shè)備的防雷擊保護措施

沈錦晨

（武漢檢安石化公司，武漢430082）

雷電是發(fā)生在大氣層中的聲、光、電物理現(xiàn)象，其能量巨大，破壞力極強。雷擊事件對儀表系統(tǒng)的危害和造成的后果是嚴(yán)重的，在強雷擊危害區(qū)域，石油化工儀表系統(tǒng)的防雷顯得尤其重要。

1 儀表系統(tǒng)防雷問題

石化生產(chǎn)裝置具有高溫、高壓連續(xù)生產(chǎn)的性質(zhì)，原料和成品大都屬于易燃易爆物質(zhì)。石油化工工業(yè)場所分為一般工業(yè)環(huán)境和爆炸危險環(huán)境，按儀表安裝地點分為控制室內(nèi)環(huán)境和室外現(xiàn)場環(huán)境。安裝在爆炸危險環(huán)境中的現(xiàn)場儀表有隔爆型、本質(zhì)安全型以及其他防爆類型。不同防爆類型的儀表，防雷特點及方法也有所不同?？刂剖覂?nèi)安裝的與本質(zhì)安全相關(guān)的儀表系統(tǒng)，防雷工程同樣應(yīng)考慮本質(zhì)安全儀表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和相應(yīng)的方法。石化儀表系統(tǒng)設(shè)備的弱點：

a）儀表系統(tǒng)設(shè)備大部分由集成電路構(gòu)成，其間隔很小。很小的過電壓都會造成反擊閃絡(luò)。集成電路中的電源及信號線路通常有微型支撐結(jié)構(gòu)。這些支撐結(jié)構(gòu)受到電涌的沖擊時，會變得過熱而彎曲變形，使得本應(yīng)該相互隔絕的線路相互接觸，就形成了內(nèi)部短路，從而導(dǎo)致集成電路失效。

b）電子系統(tǒng)工作電壓較低，一般為3，5，12，24V等。任何超出工作電壓的沖擊（如雷電過電壓），都可能導(dǎo)致電子系統(tǒng)誤動作或永久性破壞，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

隨著計算機系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化程度不斷提高，其抗雷擊和抗電涌電壓侵害的能力越來越低，特別是綜合布線連接的網(wǎng)絡(luò)交換機、服務(wù)器、計算機、監(jiān)控系統(tǒng)、終端設(shè)備更容易遭受雷電的侵害。由于這些設(shè)備處于網(wǎng)絡(luò)運行的核心位置，一旦發(fā)生雷擊或電涌電流侵入，將給整個網(wǎng)絡(luò)的運行造成極為嚴(yán)重的后果，甚至造成通信中斷，數(shù)據(jù)丟失。目前的儀表系統(tǒng)雷電事故亦不斷增加，如差壓和壓力變送器、溫度變送器、光纖液位變送器、氣體報警器、電視監(jiān)控攝像機等，占石化系統(tǒng)雷擊事故近90%。

2 雷擊的危害形式

a）直擊雷。雷云放電直接通過建筑物或地面設(shè)備入地，強大的雷電流在瞬間產(chǎn)生很大的機械振動力和高溫、高熱，使物體遭到破壞。當(dāng)雷電流通過物體時，因為有電阻或電感存在，所以產(chǎn)生很大的電壓降和感應(yīng)電壓，使絕緣破壞，產(chǎn)生火花，引起燃燒、爆炸等。

b）接地電位反擊。幾十甚至幾百kV的高電壓沿引下線入地匯入地網(wǎng)中，由于瞬態(tài)高電壓的沖擊，在接地點產(chǎn)生局部電位升高，在地網(wǎng)間出現(xiàn)電位差，導(dǎo)致反擊而損壞電器設(shè)備。地網(wǎng)中的電位差還會產(chǎn)生跨步電壓，直接危及人的生命。

c）感應(yīng)雷。感應(yīng)雷的基本特征是在雷擊發(fā)生的區(qū)域產(chǎn)生電磁感應(yīng)的結(jié)果，可分為靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)兩種。感應(yīng)雷沒有直擊雷那么猛烈，但它發(fā)生的幾率比直擊雷高得多。直擊雷一次只能襲擊小范圍目標(biāo)，而由雷電造成的感應(yīng)過電壓可以通過電力線、電話線等金屬導(dǎo)體傳輸?shù)胶苓h的位置，造成很大范圍的損害。

通常情況是雷擊并沒有擊中建筑物，建筑物內(nèi)的電子設(shè)備仍然被毀壞?？茖W(xué)研究表明，雷擊即便沒有直接擊中建筑物，也會對建筑物內(nèi)的微電子設(shè)備造成毀壞，因為只要雷擊中心點在建筑物半徑2km范圍內(nèi)，雷電就會產(chǎn)生極強的電磁場。所有從這個電磁場中穿越的供電線路，網(wǎng)絡(luò)和信號線路等，都會因電磁感應(yīng)在線路上產(chǎn)生一個電涌過電壓，并沿著線路進入大樓內(nèi)的設(shè)備輸入端口，從而將電子設(shè)備燒毀。

靜電感應(yīng)是云層中電荷的感應(yīng)使建筑物頂部積聚起極性相反的電荷，當(dāng)電場強度達到25～30MV／m就會放電。放電過程開始后，放電通路中的電荷迅速中和，但建筑物頂部極性相反的電荷卻來不及入地，因而形成很高的電位，易將頂部破壞，在內(nèi)部將金屬設(shè)備燒損或引起火災(zāi)。

d）電磁感應(yīng)。電磁感應(yīng)是當(dāng)雷電流通過金屬導(dǎo)體入地時，形成了一個迅速變化的強磁場，使處于附近的輸電線路或設(shè)備產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，將線路或設(shè)備的絕緣層擊穿，導(dǎo)致供電中斷或設(shè)備損壞。

e）開關(guān)過電壓。供電系統(tǒng)中的電感性和電容性負(fù)載開啟或斷開、電源線路短路等，都能在電源線路上產(chǎn)生脈沖高電壓，可達到線電壓的3.5倍，從而損壞設(shè)備，破壞效果與雷擊類似。

3 雷擊電涌過電壓侵入設(shè)備的通道

電涌是指電路中突然出現(xiàn)的瞬間過電壓或過電流現(xiàn)象。它產(chǎn)生于直接雷擊、雷擊電磁感應(yīng)、雷擊靜電感應(yīng)、供電電壓波動、電磁場干擾等。

研究清楚雷擊電涌過電壓侵入設(shè)備的通道，并在侵入通道上加裝相應(yīng)的防護設(shè)備，就達到了對侵入電子通信設(shè)備的雷電電涌防護的目的。雷擊電涌過電壓毀壞設(shè)備主要有如下三種形式：

a）電涌過電壓通過設(shè)備的供電線路竄入設(shè)備的電源端口，燒毀設(shè)備的整流開關(guān)電源，進而使設(shè)備失去供電而停止工作。

b）電涌過電壓通過設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)、信號及安防系統(tǒng)數(shù)據(jù)控制線路竄入設(shè)備，造成設(shè)備毀壞。

c）通過設(shè)備的接地回路擊毀設(shè)備。雷電擊在建筑物的附近，或擊中建筑物的外部避雷裝置，雷電流沿著下引線向地泄放的過程中，入地點與建筑物內(nèi)的設(shè)備接地排的電位差會極大。該電位差會通過地電位反擊的形式將設(shè)備擊毀。

只要在雷電電涌擊毀設(shè)備必經(jīng)的這三個通道上采取相應(yīng)的等電位連結(jié)和安裝防雷器，過電壓毀壞設(shè)備的情況基本上可以避免。對于一個需要保護的系統(tǒng)，只有將進出該系統(tǒng)的電源線、信號線等都對地安裝相應(yīng)的電涌防護裝置（SPD），雷擊時系統(tǒng)內(nèi)各部分之間的電位就會大致相等，因而就能避免造成設(shè)備損壞。

4 防雷存在問題及防護措施

對于武漢石化廠因老裝置多，建設(shè)初期部分裝置沒有考慮防雷，同時部分儀表系統(tǒng)防雷工程的施工沒有按規(guī)范進行。因此，存在以下主要問題：沒有安裝避雷針、避雷帶（網(wǎng)）、建筑物金屬桅桿、金屬塔架等；沒有使用接閃器分流；接地系統(tǒng)不規(guī)范，儀表系統(tǒng)沒有形成等電位連接；沒有形成電磁封鎖（屏蔽）；沒有合理布線；沒有安裝SPD。

儀表系統(tǒng)綜合防雷工程是一項多專業(yè)、多項目的綜合工程。施工工程有建筑物、電氣和儀表三類。防雷包括接閃、分流、均壓、接地裝置、等電位連接（裝置、區(qū)域、建筑物）、建筑物屏蔽和供配電系統(tǒng)的電涌防護器安裝等。

防雷的基本原則：提供一條使雷電（包括雷電電磁脈沖輻射）對大地泄放的合理低阻抗路徑，而非讓其隨機性選擇放電通道，即控制雷電能量的泄放與轉(zhuǎn)換。建筑物與電子設(shè)備的防雷措施，主要采用如下方法：

a）泄流。利用避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)等將雷電流沿引下線引入大地，防止雷電直接擊中建筑物和設(shè)備。

b）屏蔽。為防止從交流供電線路及信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的電涌損壞設(shè)備并危及人員安全，對外部傳輸線及線纜應(yīng)使用封閉金屬線槽或穿金屬管道敷設(shè)，并對金屬線槽、穿線金屬管道進行可靠適度的多點接地，以最大限度地減少感應(yīng)雷擊所產(chǎn)生的電涌破壞設(shè)備事故。計算機系統(tǒng)所有的金屬導(dǎo)線，包括電力電纜、通信電纜和信號線均采用屏蔽線或穿金屬管屏蔽。在機房建設(shè)中，利用建筑物鋼筋網(wǎng)和其他金屬材料，使機房形成一個屏蔽籠，用以防止外來電磁波（含雷電的電磁波和靜電感應(yīng)）干擾機房內(nèi)設(shè)備。

c）等電位連接（對不帶電金屬體）。將機房內(nèi)所有金屬物體，包括電纜屏蔽層、金屬管道、金屬門窗、設(shè)備外殼等金屬構(gòu)件進行電氣連接，以均衡電位。

d）接地。為保證計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作，解決環(huán)境電磁干擾及靜電危害，需要一個良好的接地系統(tǒng)。

e）雷電電涌過電壓保護。在電子設(shè)備的信號線、電源線上安裝相應(yīng)的過電壓保護器，利用其非線性效應(yīng)，將線路上過高的脈沖電壓濾除，保護設(shè)備不被過電壓破壞。主要保護器件為氧化鋅壓敏電阻、快速箝位二極管等，根據(jù)需要進行組合，形成完整的防雷保護器。

f）合理布線。當(dāng)接閃的雷電流沿分流引下線泄入大地時，由于電磁的耦合作用，會在附近的導(dǎo)體（電線、電纜）上感應(yīng)出電勢，即電涌。此電涌的數(shù)值與距引下線距離的平方成反比關(guān)系。為了減少線纜上的電涌，在布置電源線、信號線時，要盡量遠離防雷引下線。

g）安裝SPD。在建筑物內(nèi)所有連線的進線端、設(shè)備附近、防雷區(qū)界面等處，根據(jù)需要安裝SPD。

5 防雷實施方案

目前，該廠儀表控制系統(tǒng)大多已經(jīng)采用等電位接地方式，但綜合防護是共識的防雷方針。儀表防雷系統(tǒng)同樣是一個系統(tǒng)工程，必須對全廠生產(chǎn)裝置的儀表設(shè)備接地現(xiàn)狀進行多次普查，對存在的問題分類梳理找出主要原因，才是找出整改故障隱患的最終途徑。具體方法如下：

a）每年雷雨季節(jié)前應(yīng)對接地系統(tǒng)進行檢查和維護。主要檢查連接處是否緊固、接觸是否良好、接地引下線有無銹蝕、接地體附近地面有無異常，必要時應(yīng)挖開地面抽查地下隱蔽部分銹蝕情況，如果發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時處理。

b）必須加緊老系統(tǒng)的整改。老系統(tǒng)沒有安全隔離措施——防雷柵；受當(dāng)時施工規(guī)范所限，其接地系統(tǒng)不完備；設(shè)備老化，有些接地銅條和螺絲生銹腐蝕嚴(yán)重。

c）儀表設(shè)計過程中要考慮現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)兼容和匹配的問題，以及建筑物和設(shè)備的防雷措施。

d）接地網(wǎng)的接地電阻應(yīng)每年進行一次測量。每年雷雨季節(jié)前，應(yīng)對運行中的防雷器利用元件老化測試儀進行一次檢測；雷雨季節(jié)中要加強外觀巡視，發(fā)現(xiàn)防雷模塊顯示窗口出現(xiàn)紅色時應(yīng)及時處理。

e）電源和信號加裝電涌保護器。設(shè)備遭受雷擊后應(yīng)對損壞情況進行調(diào)查分析，分析內(nèi)容包括：各種電氣絕緣部分有無擊穿閃絡(luò)的痕跡、有無燒焦氣味、設(shè)備元件損壞部位。

f）自控儀表系統(tǒng)與外界之間加裝防雷柵進行隔離。安裝峰值電流記錄卡，記錄測量數(shù)據(jù)，量度峰值電流數(shù)據(jù)加以記錄存檔。

g）對可燃氣體報警器，可以在接線端子上加裝0.25～0.5A的熔斷器。

h）每次雷擊后，對系統(tǒng)卡件一定要仔細檢查，分析原因。

6 結(jié)束語

儀表系統(tǒng)的雷電防護措施，必須要在工程的設(shè)計階段予以充分考慮。若建筑物施工完成后，有些防護措施將很難實現(xiàn)。防雷效果需實際檢驗，針對不同儀表系統(tǒng)特點，采取不同的防范措施，將雷擊對儀表設(shè)備的損害降至最低，確保儀表系統(tǒng)的正常運行。

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