石油化工仪表系统的防雷控制分析

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石油化工仪表系统的防雷控制分析 　　一、前 言 　　雷电对人类的生活和生产活动造成巨大的影响。雷电威胁着人类的生命安全，常使建筑、电力、电子、通信和航空、航天等诸多部门遭受严重破坏 。随着高新技术的迅猛发展，由雷击引起的灾害事故正呈现出上升趋势。近年来，石油化工企业的规模、数量不断扩大、增加，仪表系统向网络化、智 能化方向迅猛发展，而仪表设备普遍存在绝缘强度低、过电压和过电流耐受能力差、对电磁干扰敏感等弱点，一旦仪表设备受到直接雷击或其附近区域 发生雷击，雷电过电压、过电流和脉冲电磁场会通过供电线、仪表信号线、电缆汇线槽、穿线管等途径到达仪表设备，威胁仪表设备的正常工作和安全 运行。如果防护不当，轻则使仪表设备工作失灵，重则使仪表设备永久性损坏，严重时还可能造成人员伤亡、生产事故。 　　因此，现代石油化工仪表系统的设计必须高度重视防雷的设计。 　　二、石油化工仪表系统防雷的回顾 　　国内目前在设计石油化工仪表系统时，基本上没有考虑防雷问题，但国外在这方面已经有了近20 年的研究和使用经验。国内一些石油化工厂常常 因为遭受雷击，使控制系统瘫痪，造成装置停车，经济损失巨大。于是，采取了一些补救的防雷措施，主要是采取分流法，就是在仪表系统的信号或通 讯回路以及系统的供电电源部分采用浪涌保护器SPD（Surge ProtecTIveDevice），用以限制瞬态过电压和分走浪涌电流。但一个SPD 只能为回路的某 部分提供保护；例如，一个安装在DCS 控制室的SPD只能对DCS的卡件通道提供保护；一个安装在现场变送器输出的SPD只能对变送器提供保护。如果所 有的I/O通道都装SPD，成本将大幅度上升；再则，如果每个回路都增加两个SPD的话，由于SPD本身也会出现故障（在生产实践中已证明了这一点），仪 表系统的故障率将会大大增加。 　　因此，国内某些石油化工厂也只能在一些相对重要的场合部分地使用SPD，保护也只局限于现场仪表或控制室DCS、PLC 等，没有真正实现仪表系统 的整体防雷。 　　三、雷击对仪表系统的危害形式 　　雷击从形式上可分为直接雷击与感应雷击两种，对仪表系统可能产生的危害形式划分为下列几种： 　　1. 直接雷击 　　雷电直接击中现场仪表设备或与之连接的管路，通常会损坏仪表的传感器模件并且可能损坏变送器的电子线路板。雷电流在沿仪表支架流入大地的 过程中，产生强大的感应磁场，能通过信号传输线路耦合到控制室DCS 等电子设备内，损坏DCS 等电子设备。 　　2. 感应雷击 　　（1）静电感应。当雷云来临时，地面物体，尤其是导体聚积大量电荷产生放电，放电电流若进入现场仪表和用电设备，造成设备损坏。 　　（2）电磁脉冲辐射。雷电流在其通道周围的空间产生电磁场，向外辐射电磁波，耦合到控制室的计算机、仪表和现场仪器仪表，以及各类金属导 体上，产生感应电动势或感生电流，造成设备故障，损坏以致控制系统失灵。 　　3. 雷电过电压侵入 　　直接击雷或雷电感应都可能使导线或金属管道产生过电压，此雷电过电压沿各种金属管道、电缆槽、电缆线路就可能将高电位引入仪表系统，造成 干扰和破坏。 　　4. 反击 　　防雷装置接闪时，强大的瞬间雷电流通过引下线流入接地装置，由于大地电阻的存在，雷电电荷不能快速向大地泄放，必然会引起局部地电位上升 （可能上百千伏），如果仪表控制系统的接地体与该点没有足够安全距离，它们之间就会产生放电，造成反击电流，可直接击穿用电器的绝缘部分，会 对仪表控制系统产生干扰乃至破坏。 　　四、仪表系统防雷的主要措施 　　对于侵入仪表系统雷害的治理的措施是多方面的，主要包括接闪、分流、均压、接地和屏蔽等。这些措施必须综合运用，才能真正达到仪表系统的 防雷。目前石油化工仪表系统所采取的防雷措施如下： 　　1. 接闪 　　直接雷击的防护主要由建筑物的防雷装置实现，现场仪表系统的防雷，应和周围的储油罐等设备的防雷措施一起设计。 　　2. 均压 　　当雷击发生时，在雷电瞬态电流所经过的路径上将会产生瞬态电位升高，使该路径与周围的金属物体之间形成瞬态电位差，如果这种瞬态的电位差 超过了两者之间的绝缘耐受强度，就会导致介质的击穿放电，这种击穿放电能直接损坏仪表设备，也能产生电磁脉冲，干扰仪表系统的正常运行。为了 消除雷电瞬态电流路径与金属物体之间的击穿放电，可以将所有现场仪表的所有金属外壳、构架、生产装置的金属设备、设施、仪表控制室内的设备、 组件和元件的金属外壳、金属设施连接在一起，并且与仪表控制室的防雷接地系统相连接，形成完善的等电位连接。 　　3. 接地 　　目前国内石油化工仪表系统的接地主要有两种措施：浮地、多点接地。 　　（1）浮地是指仪表的工作地与建筑物的接地系统保持绝缘，这样建筑物接地系统中的电磁干扰就不会传导到仪表系统中，地电位的变化对仪表系 统也无影响。但由于仪表的外壳要进行保护接地，当雷电较强时，仪表外壳与其内部电子电路之间可能出现很高的电压，将两者之间绝缘间隙击穿，造 成电子线路损坏。 　　（2）接地是指仪表、DCS、PLC 等设备的工作接地与保护接地分开，这种接地方式的突出优点是可以就近接地，接地线的寄生电感小。但是如果较 强的雷电波通过保护地进入系统，电子电路同样会因承受高压而损坏。由于以上两种接地方式都不能满足防雷的需要，因此，可以考虑将保护地与工作 地相连接，并且接入防雷接地系统，问题就可以解决了。 　　4. 屏蔽 　　石油化工仪表系统大量采用半导体器件、集成电路和传递信号的电缆，由雷击产生的瞬态电磁脉冲可以直接辐射到这些元器件上，也可以在电源或 信号线上感应出瞬态过电压波，沿线路侵入电子设备，使电子设备工作失灵或损坏。利用屏蔽体来阻挡或衰减电磁脉冲的能量传播是一种有效的防护措 施。仪表系统的防雷屏蔽主要包括三个方面：控制室屏蔽、现场仪表屏蔽、信号线和电源线屏蔽。 　　（1）控制室屏蔽 　　控制室内的控制系统是仪表系统的心脏，对雷电产生的电磁脉冲十分敏感，需要特别注意其屏蔽问题。仪表控制室应是无窗的封闭结构，将房屋墙 壁中的结构钢筋交点处电气连接，并与金属门框焊接，构成一个带门开口的屏蔽笼，在室内沿墙壁四周再做一圈保护接地环（接入防雷地），接地环与 屏蔽笼进行有效的电气连接。 　　（2）现场仪表屏蔽 　　现场仪表可采用金属的仪表箱（罩）实现防雷屏蔽，仪表箱（罩）要与其它现场的金属设施实现等电位连接，并接入防雷接地系统。 　　（3）信号线和电源线屏蔽 　　为了防止雷电电磁脉冲在信号或电源线路上感应出瞬态过电压波，所有的信号线及低压电源线都应采用有金属屏蔽层的电缆。就瞬态过压防护而言 ，需要信号线或电源线的屏蔽层沿线路多点接地或至少应在线路的首、末两端接地。当采用多点接地后，各接地点之间的屏蔽层沿线路之间形成回路， 低频干扰电流的电磁场可能会有一部分透过屏蔽层，在电缆的芯-护套回路产生低频干扰，这就要求屏蔽层沿线路只能采取单点接地。为了防止由多点 接地所产生的低频干扰，可将电缆穿入金属管内或采用双屏蔽电缆，将金属管或双屏蔽电缆的外屏蔽层采取多点接地，金属管内或双屏蔽电缆的内屏蔽 层可以采用一端接地，这样既保证安全，又有利于抑制低频干扰。 　　5. 分流 　　分流是防雷的有效措施，由于仪表回路太多，不可能在每个仪表回路中都使用SPD，必须有选择地在重要回路和系统电源回路中安装SPD 或避雷器 。 　　五、总 述 　　为了达到石油化工仪表系统的防雷，要对整个生产装置根据等电位连接的原则加以设计，从控制室、现场仪表、仪表信号和电源线等多方面综合考 虑，采用接闪、分流、均压、接地、屏蔽等多种措施，需要电气、建筑、自控等专业协同合作来实现，除了考虑系统安全性以外，还要考虑投资的成本 、运行的经济性。