儀表系統(tǒng)的防雷措施

儀表系統(tǒng)的防雷措施劉歡【摘要】根據(jù)雷擊對儀表系統(tǒng)產(chǎn)生危害的因?yàn)閺慕娱W、分流、均壓、等電位連接、屏蔽和設(shè)置浪涌保護(hù)器等方面提出自動(dòng)化儀表系統(tǒng)防雷的主要措施.從實(shí)用的方面介紹了儀表系統(tǒng)防雷工程的設(shè)計(jì)方法、適用規(guī)則、爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中現(xiàn)場儀表的防雷、等電位接地系統(tǒng)、浪涌防護(hù)器的選擇和安裝、電纜的屏蔽和敷設(shè)等設(shè)計(jì)內(nèi)容.【期刊名稱】《廣州化工》【年(卷)，期】2010(038)004【總頁數(shù)】4頁(P192-194,225)【關(guān)鍵詞】儀表系統(tǒng);防雷;接地;屏蔽;浪涌保護(hù)器【作者】劉歡【作者單位】中國天辰工程有限公司儀表電氣部，天津,300400【正文語種】中文隨著石油化工工業(yè)的迅猛發(fā)展，裝置規(guī)模越來越大啟動(dòng)化程度不斷提高啟動(dòng)化儀表系統(tǒng)已成為石油化工連續(xù)生產(chǎn)必不可少的神經(jīng)中樞。但儀表設(shè)備普遍存在絕緣強(qiáng)度低、過壓和過流耐受能力差、對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，雷電過壓、過流和脈沖電磁場會(huì)通過供電線、儀表信號(hào)線、電纜匯線槽、穿線管等途徑到達(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及生產(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)。本文僅從石油化工儀表系統(tǒng)的雷電防護(hù)工程設(shè)計(jì)方面，探討一些具體的可遵循的方法。雷電是一種常見的自然現(xiàn)象［1］。夏天的午后或傍晚，地面的熱空氣攜帶大量的水汽不斷地上升到高空，形成大范圍的積雨云,積雨云的不同部位聚集著大量的正電荷或負(fù)電荷，形成雷雨云。而地面因受到近地面雷雨云的電荷感應(yīng)，也會(huì)帶上與云底相反極性的電荷。當(dāng)云層里的電荷越積越多，達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)把空氣擊穿，打開一條狹窄的通道強(qiáng)行放電，這就是雷電(下文中簡稱為雷)。約有15%雷會(huì)落到地面產(chǎn)生危害。所測量到的落到地面的雷的能量等級(jí)為(2~200)kA/10ps內(nèi)。BS6651給出了如下數(shù)據(jù)：1%的雷＞200kA;10%的雷＞80kA;50%的雷＞28kA;90%的雷＞8kA;99%的雷＞3kA。雷擊對自動(dòng)化儀表系統(tǒng)的破壞可分成3種情況。雷電直擊。直擊雷直接擊中儀表設(shè)備，損壞電子設(shè)備。雷電感應(yīng)。當(dāng)金屬架構(gòu)、防雷裝置接閃時(shí),在引下線內(nèi)會(huì)通過強(qiáng)大的瞬間電流，對周圍一定范圍內(nèi)電纜產(chǎn)生電磁感應(yīng);或者,閃電在云層與云層之間發(fā)生放電而產(chǎn)生瞬變電磁場，強(qiáng)大的瞬變電磁場通過電阻耦合、電容耦合和電感耦合在電子設(shè)備、線路上感應(yīng)出很高的瞬態(tài)過電壓，通過管道、電纜就可能將高電位引入儀表系統(tǒng)，造成干擾和破壞。雷電反擊。由于控制系統(tǒng)采用單獨(dú)接地，當(dāng)變送器附近的設(shè)備或建筑物遭雷擊或雷電擊中具有防雷裝置的建筑物或設(shè)施時(shí)，由于地電位的浮動(dòng)，可以使變送器和控制系統(tǒng)之間或DCS機(jī)柜外殼與柜內(nèi)電子設(shè)備之問地電位差達(dá)幾千甚至幾萬伏，足以將儀表、電子設(shè)備擊穿。石油化工廠的自動(dòng)化儀表系統(tǒng)可分為控制室內(nèi)儀表和現(xiàn)場儀表。有極少數(shù)的現(xiàn)場儀表位于空曠地帶或位于裝置的高點(diǎn)溶易遭受直擊雷雷擊。大多數(shù)裝置儀表都安裝在設(shè)備或管道上，這些設(shè)備或管道都是良導(dǎo)體，另外，裝置區(qū)都采取了防雷措施,加上儀表本身體積較小，因此，儀表直接〃接閃”的可能性較小。而連接現(xiàn)場儀表（或另外儀表間）和控制室儀表的電纜，則有傳導(dǎo)雷電感應(yīng)電波的可能。這主要因?yàn)殡娎|敷設(shè)在裝置各個(gè)區(qū)域，連接距離長當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，靠近雷擊點(diǎn)的電纜產(chǎn)生感應(yīng)電壓，并向地傳導(dǎo)，形成瞬間電涌電壓或電流。另外，由于電纜橋架的架空敷設(shè)，電纜匯線橋架單獨(dú)引入雷電波的可能性也存在。電纜中的電涌傳遞到現(xiàn)場儀表或控制室，造成儀表或控制系統(tǒng)故障、損壞。對工程設(shè)計(jì)而言，要根據(jù)工廠及裝置所處地區(qū)的年平均雷暴日、裝置的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)、雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估、防雷等級(jí)等綜合因素確定實(shí)施防雷工程。對于侵入自動(dòng)化儀表系統(tǒng)雷害的治理是多方面的，需要采取綜合防護(hù)措施，這些措施主要包括接閃、分流、均壓、接地、屏蔽和設(shè)置浪涌保護(hù)器等。這些措施必須綜合運(yùn)用，才能真正達(dá)到自動(dòng)化儀表系統(tǒng)的防雷。石油化工裝置在戶外布置了機(jī)泵、貯罐、貯槽、換熱器、料倉、塔等,這些設(shè)備通過管線連接。設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮了防雷。對高層金屬構(gòu)架［2］、壁厚大于4mm的金屬密閉容器及管道直接接地，接地點(diǎn)不應(yīng)少于兩處,兩接地點(diǎn)距離不大于30m,若大于30ITI增加接地點(diǎn),沖擊接地電阻不應(yīng)大于30Q。這種做法，就是要構(gòu)架、容器、管道等本身承擔(dān)接閃器和引下線的作用,與接地裝置組合成一個(gè)完整的防雷裝置。壁厚大于4mm的金屬設(shè)備和管道，當(dāng)雷電對其直擊后，不會(huì)對其造成損傷。由于儀表分布在裝置的金屬構(gòu)架中,也受到了保護(hù)。而電纜則分布在裝置的各個(gè)區(qū)域，-些區(qū)域內(nèi)的電纜橋架離開了裝置區(qū)，處于空曠地帶,有遭受直擊雷的可能。遇到這種情況，可以采用避雷針來解決，將這些電纜置于避雷針的保護(hù)區(qū)域內(nèi),但必須注意,避雷針要和被保護(hù)的橋架保持一定距離,以防止產(chǎn)生二次雷擊”。此外，處于高處、空曠地帶的儀表，也容易遭受雷擊。盡量不要把儀表安裝在高點(diǎn)，如果避免不了，儀表要安裝儀表箱，儀表箱必須有良好的接地，空曠地帶的儀表也需如此。如果該儀表比較關(guān)鍵，可以考慮安裝避雷針。接閃器、引下線等直擊雷防護(hù)的設(shè)計(jì)應(yīng)由電氣專業(yè)完成,并應(yīng)符合電氣專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。無論是現(xiàn)場儀表還是控制室儀表，都應(yīng)在電氣專業(yè)的直擊雷防護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，在雷電瞬態(tài)電流所經(jīng)過的路徑上將會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電位升高，使該路徑與周圍的金屬物體之間形成瞬態(tài)電位差，如果這種瞬態(tài)的電位差超過了兩者之間的絕緣耐受強(qiáng)度，就會(huì)導(dǎo)致對金屬物體的擊穿放電，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。2.3.1接地系統(tǒng)的構(gòu)成化工儀表系統(tǒng)防雷工程的接地系統(tǒng)分為室內(nèi)和室外兩部分。室內(nèi)儀表接地系統(tǒng)適用于各類(中心)控制室、現(xiàn)場機(jī)柜室、現(xiàn)場控制室(本文統(tǒng)稱為控制室)。室外儀表接地系統(tǒng)適用于現(xiàn)場儀表、現(xiàn)場接線箱、現(xiàn)場機(jī)柜以及分析小屋等。儀表系統(tǒng)防雷工程的接地系統(tǒng)必須采用等電位連接方式。2.3.2等電位接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等地電位連接通常有S型、M型以及這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式的組合連接方式。S型連接的形式如圖1(a)所示。通常,S型等地電位連接網(wǎng)絡(luò)可用于相對較小的局部系統(tǒng),所有設(shè)施管線和電纜從接地基準(zhǔn)點(diǎn)(ERP)處進(jìn)入該控制系統(tǒng)。M型連接的形式如圖1(b)所示。M型等地電位連接網(wǎng)絡(luò)應(yīng)通過多點(diǎn)連接組合到共用接地系統(tǒng)中去。通常,M型等地電位連接網(wǎng)絡(luò)多用于延伸較大的開環(huán)系統(tǒng)，而且在設(shè)備之間敷設(shè)許多線路和電纜，設(shè)施和電纜從若干點(diǎn)進(jìn)入該控制系統(tǒng)。在更復(fù)雜的系統(tǒng)中，可以組合S型和M型等地電位連接網(wǎng)絡(luò),把這兩種型式的優(yōu)點(diǎn)可組合在一起，更好地發(fā)揮等地電位連接。儀表系統(tǒng)屬于低頻小信號(hào)系統(tǒng)[3],采用〃單點(diǎn)接地方式”，因此控制室一般采用的是S型星形結(jié)構(gòu)（見圖2）,實(shí)行單點(diǎn)接地，即1個(gè)ERP。除電源中性線一次接地外，其他各種接地分類匯總（匯總點(diǎn)盡量靠近該基準(zhǔn)點(diǎn)）后接到建筑物各層面的等電位連接板上,進(jìn)而和接地極相連。目前國內(nèi)石油化工儀表系統(tǒng)的接地主要有浮地和多點(diǎn)接地兩種措施,但這兩種接地方式都不能滿足防雷的需要，將保護(hù)地與工作地相連接,并且接入防雷接地系統(tǒng)，問題就可以解決了。2.3.3現(xiàn)場儀表的接地連接現(xiàn)場儀表的金屬外殼應(yīng)就近接地或與接地的金屬體相連接。現(xiàn)場接線箱及機(jī)柜的外殼應(yīng)就近接地或與接地的金屬體相連接?，F(xiàn)場儀表的浪涌防護(hù)器的接地端子應(yīng)與儀表外殼的接地端子相連接。石油化工儀表系統(tǒng)大量采用半導(dǎo)體器件、集成電路和低壓信號(hào)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)線上感應(yīng)出瞬態(tài)過電壓波,沿線路侵入電子設(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3個(gè)方面。（1） 控制室屏蔽?？刂剖覂?nèi)的控制系統(tǒng)是儀表系統(tǒng)的心臟，對雷電產(chǎn)生的電磁脈沖十分敏感，需要特別注意其屏蔽問題。儀表控制室應(yīng)是無窗的封閉結(jié)構(gòu)，將房屋墻壁中的結(jié)構(gòu)鋼筋交點(diǎn)處連接,并與金屬門框焊接,構(gòu)成一個(gè)帶門開口的屏蔽籠，在室內(nèi)沿墻壁四周再做一圈保護(hù)接地環(huán)（接人防雷地），接地環(huán)與屏蔽籠進(jìn)行有效的電氣連接。（2） 現(xiàn)場儀表屏蔽?，F(xiàn)場儀表可采用金屬的儀表箱（罩）實(shí)現(xiàn)防雷屏蔽，儀表箱（罩）接人防雷接地系統(tǒng)。⑶信號(hào)線和電源線屏蔽。為了防止雷電電磁脈沖在信號(hào)或電源線路上感應(yīng)出瞬態(tài)過電壓波，所有的信號(hào)線及低壓電源線都應(yīng)采用有金屬屏蔽層的電纜,盡量避免電纜裸露于保護(hù)管之外。就瞬態(tài)過壓防護(hù)而言，需要信號(hào)線或電源線的屏蔽層沿線路多點(diǎn)接地或至少應(yīng)在線路的首、末兩端接地。當(dāng)采用多點(diǎn)接地后，各接地點(diǎn)之間的屏蔽層沿線路之間形成回路，低頻干擾電流的電磁場可能會(huì)有一部分透過屏蔽層，在電纜的芯一護(hù)套回路產(chǎn)生低頻干擾,這就要求屏蔽層沿線路只能采取單點(diǎn)接地。為了防止由多點(diǎn)接地所產(chǎn)生的低頻干擾，可將電纜敷設(shè)在鋼制電纜槽盒、金屬管內(nèi)或采用雙屏蔽電纜，將電纜槽盒、金屬管或雙屏蔽電纜的外屏蔽層采取多點(diǎn)接地，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。2.5.1浪涌保護(hù)器(SPD)的工作原理電源部分所作防雷的三級(jí)防護(hù)涉及強(qiáng)電部分，在此不作詳細(xì)論述。重點(diǎn)介紹一下常見的用于儀表的SPD。SPD的作用:正常情況下，不對電路產(chǎn)生影響;當(dāng)浪涌侵入時(shí)，將所連接部分與地線短路，使線路中的浪涌電流迅速釋放入地,從而使線路所連接的設(shè)備不受浪涌的侵害;浪涌中止后,SPD恢復(fù)正常。SPD主要由3種元件——?dú)怏w放電管;電感;浪涌二極管混合構(gòu)成［4］。氣體放電管:具有在低電壓觸發(fā)導(dǎo)通，通過電流大，使用壽命長的特點(diǎn)，但瞬變量大時(shí)觸發(fā)電壓遠(yuǎn)大于額定觸發(fā)電壓，造成殘壓高。例如:額定觸發(fā)電壓200VDC對一個(gè)1kV/Fs上升的脈沖電壓將在900V時(shí)才會(huì)觸發(fā)。另外，在氣體放電管被觸發(fā)的情況下，尤其是在阻抗低、電壓超過24V的電路中會(huì)出現(xiàn)下列情況，即原來希望維持幾個(gè)毫秒的短路狀態(tài)，會(huì)因?yàn)殡娐饭╇婋娏鬏^大，該氣體放電器繼續(xù)保持下去，導(dǎo)致放電管破碎。浪涌二極管:即為導(dǎo)通大電流的齊納二極管，具有反應(yīng)速度快,限制電壓準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，但有明顯電容效應(yīng)，會(huì)影響回路帶寬。電感:用來分隔氣體放電管和浪涌二極管，在氣體放電管未觸發(fā),二極管已導(dǎo)通時(shí)，電感可限制峰值電流。2.5.2浪涌防護(hù)器的設(shè)置方案2.5.2.1浪涌防護(hù)器的應(yīng)用防護(hù)距離是任意兩個(gè)儀表或設(shè)備間的直線距離當(dāng)信號(hào)電纜在地面以上敷設(shè)的水平距離大于100m或垂直距離大于10m時(shí)現(xiàn)場測量儀表和控制室儀表兩端應(yīng)設(shè)置浪涌防護(hù)器。當(dāng)信號(hào)電纜在地面以上敷設(shè)的水平距離較短(小于50m)并且垂直距離小于10m時(shí)，則現(xiàn)場測量儀表和控制室儀表兩端可均不設(shè)置浪涌防護(hù)器。2.5.2.2設(shè)置浪涌防護(hù)器的儀表安全儀表系統(tǒng)兩端都應(yīng)設(shè)置浪涌防護(hù)器；變送器現(xiàn)場及控制室儀表兩端應(yīng)設(shè)置浪涌防護(hù)器；電氣轉(zhuǎn)換器、電氣閥門定位器、電磁閥等現(xiàn)場電信號(hào)執(zhí)行器類儀表和控制室儀表兩端都應(yīng)設(shè)置浪涌防護(hù)器；⑷熱電阻現(xiàn)場及控制室儀表兩端應(yīng)設(shè)置浪涌防護(hù)器;(5)電子開關(guān)現(xiàn)場及控制室儀表兩端應(yīng)設(shè)置浪涌防護(hù)器。2.5.2.3不設(shè)置浪涌防護(hù)器的儀表在第2.5.2.1需要設(shè)置浪涌防護(hù)器的場合中:熱電偶現(xiàn)場端可不設(shè)置浪涌防護(hù)器;觸點(diǎn)開關(guān)現(xiàn)場端不應(yīng)設(shè)置浪涌防護(hù)器;配電間及電氣控制室來的機(jī)泵信號(hào)可不設(shè)置浪涌防護(hù)器。需要注意的是:SPD的安裝位置應(yīng)盡可能靠近被保護(hù)設(shè)備。在控制室內(nèi),SPD柜放在外側(cè)，被保護(hù)的機(jī)柜放于中心側(cè)。SPD可與安全柵放在同一柜內(nèi)兩個(gè)單獨(dú)的接地導(dǎo)軌，但不能與安全柵共用同一導(dǎo)軌以分開本安和非本安側(cè)。隔離柵不需要接地,SPD地線直接與機(jī)柜地線相連接。以蘭州石化丁苯橡膠裝置為例啟動(dòng)化儀表系統(tǒng)的供電來自變電所提供的UPS,供電電壓是220VAC。自動(dòng)化儀表系統(tǒng)主要由檢測儀表、顯示控制儀表、執(zhí)行器等部分組成。檢測儀表主要采用電子式智能儀表，信號(hào)傳輸原則上為二線制傳輸，模擬采用4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)疊加HART協(xié)議，數(shù)字信號(hào)電平為24VDC；顯示控制儀表由DCS實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行器主要采用氣動(dòng)控制閥和開關(guān)閥。根據(jù)目前的雷電防護(hù)技術(shù)和過壓防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4—5、ITU-TK20/K21及國標(biāo)GB9043均有關(guān)于雷擊浪涌抗擾度測試條文，結(jié)合本廠實(shí)際情況，采取如下防護(hù)措施。利用雷電接閃器(避雷針、避雷帶等)系統(tǒng)防止直擊雷的侵害；泄流(分流)雷電能量，防止直擊雷反擊；采用對儀表系統(tǒng)設(shè)備接地的等電位連接方法防止直擊雷反擊；⑷采用多層次的電磁屏蔽降低或限制感應(yīng)過電壓的產(chǎn)生。這些屏蔽包括建筑物、儀表系統(tǒng)設(shè)備室、設(shè)備外殼和信號(hào)管線屏蔽等；⑸采用過電壓保護(hù)器防止元器件損壞。即在儀表控制系統(tǒng)的電源回路和信號(hào)接口等回路安裝過電壓保護(hù)器(如過電壓限制器或浪涌吸收器等),經(jīng)限制器將已產(chǎn)生的過電壓鉗制于限制值以下，保證系統(tǒng)設(shè)備或元器件免于異常動(dòng)作或損壞。儀表防雷工程是一項(xiàng)復(fù)雜、綜合的工程。石油化工儀表又有其應(yīng)用的特殊性。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，為了達(dá)到石油化工自動(dòng)化系統(tǒng)的防雷，要對整個(gè)生產(chǎn)裝置根據(jù)等電位連