石油化工儀表系統(tǒng)的防雷

石油化工儀表系統(tǒng)的防雷隱患分析及防雷技術(shù)的應(yīng)用研究摘要論述雷電對(duì)儀表系統(tǒng)所造成的危害，分析了石油化工儀表系統(tǒng)的現(xiàn)狀及應(yīng)采取的防雷辦法。關(guān)鍵詞儀表系統(tǒng)防雷聯(lián)合接地屏蔽前言雷電是一種自然現(xiàn)象，它能釋放出龐大的能量、具有極壯大的破壞能力，雷電要挾著人類的生命安全，常使建筑、電力、電子、通信和航空、航天等諸多部門蒙受嚴(yán)峻損壞，隨著微電子設(shè)備的普遍應(yīng)用及高新技術(shù)的迅猛進(jìn)展，由雷擊引發(fā)的災(zāi)害事故正呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。最近幾年來(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、智能化方向進(jìn)展。石化行業(yè)主要存在以下三種控制系統(tǒng)：PLC控制系統(tǒng)（可編輯邏輯控制器，主如果處置開(kāi)關(guān)量，是三種控制系統(tǒng)中進(jìn)展最先最成熟的），DCS控制系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)，集中操作管理，分散控制系統(tǒng)），F(xiàn)CS控制系統(tǒng)（現(xiàn)場(chǎng)總線，是基于PLC或DCS得基礎(chǔ)上進(jìn)展出來(lái)的新型控制系統(tǒng)）。對(duì)于三種控制系統(tǒng)的防雷保護(hù)，其I/O模塊及其現(xiàn)場(chǎng)儀表的保護(hù)均只與控制儀表的類型、電壓、所處環(huán)境有關(guān)，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)受到直接雷擊或其周圍區(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、儀表信號(hào)線、電纜匯線槽、穿線管等途徑抵達(dá)儀表設(shè)備，要挾儀表設(shè)備的正常工作和安全運(yùn)行。若是防護(hù)不妥，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)峻時(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)必需高度重視防雷的設(shè)計(jì)石油化工儀表系統(tǒng)防雷現(xiàn)狀分析DCS控制系統(tǒng)是石化企業(yè)生產(chǎn)進(jìn)程控制的指揮中心，它的一舉一動(dòng)都影響著石化企業(yè)的生產(chǎn)，也是一個(gè)復(fù)雜的弱電控制系統(tǒng)，如圖所示，因此容易受到外部的干擾，專門是雷電浪涌的入侵對(duì)控制系統(tǒng)的影響專門大：一方面可造成儀表設(shè)備的損壞，另一方面也可造成DCS系統(tǒng)故障，嚴(yán)峻時(shí)可能造成整個(gè)生產(chǎn)裝置的停車，石化企業(yè)每一年因DCS及儀表系統(tǒng)受雷電侵入而造成的損失專門大，因此DCS及儀表系統(tǒng)的二次防雷就顯得很重要?，F(xiàn)場(chǎng)儀表 I電氣模擬盤DCS控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)一般的石化企業(yè)，在設(shè)計(jì)時(shí)大體上僅考慮到供配電系統(tǒng)的雷電感應(yīng)防護(hù)，可是對(duì)DCS及控制系統(tǒng)的防雷保護(hù)卻很少見(jiàn)或極不完善。石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置的DCS控制系統(tǒng)及常規(guī)的儀器儀表系統(tǒng)均屬于微電子設(shè)備，極易蒙受雷擊損壞，使控制系統(tǒng)癱瘓，造成裝置停車，經(jīng)濟(jì)損失重大。造成事故的主要原因有兩個(gè)方面：一是由雷電感應(yīng)造成的，二是由地電位還擊造成的。目前常采用的防雷辦法是分流法，就是在儀表系統(tǒng)的信號(hào)或通信回路和系統(tǒng)的供電電源部份采用浪涌保護(hù)器SPD(SurgeProtectiveDevice),用以限制瞬態(tài)過(guò)電壓和分走浪涌電流。但一個(gè)SPD只能為回路的某部份提供保護(hù)，若果所有回路及1/O通道都裝SPD，本錢及系統(tǒng)故障率將大幅上升，因此石油化工企業(yè)只是針對(duì)一些相對(duì)重要的場(chǎng)合部份的利用SPD，保護(hù)僅局限于現(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。石油化工企業(yè)儀表系統(tǒng)防雷技術(shù)石油化工企業(yè)儀表系統(tǒng)防雷工程師一個(gè)系統(tǒng)的工程，對(duì)于侵入儀表系統(tǒng)雷害的治理辦法主要包括：直擊雷防護(hù)、等電位連接、屏蔽、規(guī)范的綜合布線、SPD保護(hù)、合理的接地系統(tǒng)六個(gè)部份組成。這些辦法必需綜合運(yùn)用，才能達(dá)到儀表系統(tǒng)的有效防護(hù)。一、直擊雷防護(hù)石油化工儀表系統(tǒng)防雷的第一道防線是直擊雷防護(hù)，最經(jīng)濟(jì)、最有效的方式是避雷針(避雷帶、避雷網(wǎng))法。儀表系統(tǒng)控制室一般布置在非爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，若控制室為獨(dú)立的建筑物，則依照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定采用屋頂設(shè)避雷帶，經(jīng)引下線接至地下網(wǎng)的防雷系統(tǒng)；若控制室和生產(chǎn)裝置在同一建筑物內(nèi)，則防直擊雷的要求應(yīng)連同生產(chǎn)裝置的特點(diǎn)來(lái)綜合肯定和設(shè)計(jì)。避雷引下線的位置要與引入控制室的管道和電纜隔開(kāi)一段距離，以減小對(duì)它的電磁感應(yīng)。現(xiàn)場(chǎng)儀表系統(tǒng)的防雷，應(yīng)按照周圍的儲(chǔ)油罐等設(shè)備的實(shí)際情形做出相應(yīng)的設(shè)計(jì)。二、等電位連接為了消除雷電瞬態(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)施連接在一路，并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、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)電磁脈沖能夠直接輻射到這些元器件上，也能夠在電源線或信號(hào)線上感應(yīng)出瞬態(tài)過(guò)電壓波，沿線路侵入電子設(shè)備，是電子設(shè)備工作失靈或損壞。利用屏蔽體來(lái)阻擋或衰減電磁脈的能量傳播是一種有效的防護(hù)。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)線和電源線屏蔽。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)窗的封鎖結(jié)構(gòu)，將衡宇墻壁中的結(jié)構(gòu)鋼筋交點(diǎn)處電氣連接，并與金屬門框焊接，組成一個(gè)帶門開(kāi)口的屏蔽籠（法拉第籠），在室內(nèi)沿墻壁周圍再做一圈保護(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）要與其他現(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)中。3）信號(hào)線和電源線屏蔽為了避免雷電電磁脈沖在信號(hào)或電源線上感應(yīng)出瞬態(tài)過(guò)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。就瞬態(tài)過(guò)電壓防護(hù)而言，需要信號(hào)線和電源線的屏蔽層沿線路多點(diǎn)接地或至少應(yīng)在線路的首末兩頭接地。多點(diǎn)接地容易產(chǎn)生低頻干擾，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多點(diǎn)接地，金屬管內(nèi)或雙屏蔽電纜的內(nèi)屏蔽層可采用一端接地，如此既保證安全，又有利于抵制低頻干擾。對(duì)外部電纜要采用金屬材質(zhì)走線槽，并采用雙層屏蔽和接地辦法：I/O電纜、電源電纜、通信電纜在室外的敷設(shè)部份應(yīng)在雙層屏蔽的前提下盡可能采用埋地方式，尤其是在進(jìn)控制室前大于15米的距離內(nèi)。4、接地儀表系統(tǒng)接地是為避免危及人身和設(shè)備的安全而設(shè)，減少系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備受到的入侵雷電浪涌沖擊作用；提供低阻抗接地故障電流的返回通道；對(duì)可能積聚在設(shè)備上的靜電提供低阻抗泄漏通道；為儀表系統(tǒng)提供低阻抗的公共信號(hào)參考點(diǎn)，以使系統(tǒng)受到的干擾最小。由于儀表控制系統(tǒng)屬于弱電系統(tǒng)，為盡可能減少干擾，其接地往往采用獨(dú)立地網(wǎng)系統(tǒng)，與建筑物的防雷接地網(wǎng)、電氣系統(tǒng)的接地網(wǎng)分開(kāi)，此種做法減少了正常情形下系統(tǒng)受到的干擾，但建筑物或電氣系統(tǒng)蒙受雷擊，可能致使儀表系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)外的高電位差，引發(fā)設(shè)備損壞。采用聯(lián)合地網(wǎng)（即將儀表控制系統(tǒng)接地網(wǎng)、建筑物防雷接地網(wǎng)及電氣系統(tǒng)的接地網(wǎng)合理的整合為一個(gè)統(tǒng)一的地網(wǎng)），可有效解決電位還擊的問(wèn)題，同時(shí)也降低了接地網(wǎng)的接地電阻，減少電磁干擾，有利于控制及儀表系統(tǒng)的防雷。五、 SPD保護(hù)完全屏蔽的房間也不能避免因各類進(jìn)出房間的線纜所引入的雷電波入侵，雖然通過(guò)聯(lián)合接地和屏蔽技術(shù)能有效降低雷電對(duì)弱電系統(tǒng)的影響，但可能進(jìn)入系統(tǒng)的雷電浪涌仍會(huì)專門大，有可能超過(guò)系統(tǒng)設(shè)備的耐壓水平，因此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)配合的SPD防護(hù)，來(lái)有效分流，以彌補(bǔ)聯(lián)合接地和屏蔽的不足，提高防雷保護(hù)靠得住性。六、 合理布線合理布線可改善電磁環(huán)境，有利于儀表系統(tǒng)的防雷。各類傳輸線混雜布放，不僅彼此干擾，而且當(dāng)雷電波進(jìn)入其中一條通道時(shí)，其他線纜會(huì)同時(shí)受到感應(yīng)。因此，應(yīng)將強(qiáng)電線纜和弱電線纜分開(kāi)敷設(shè)在強(qiáng)電豎井和弱電豎井內(nèi)，有利于保護(hù)和防雷安全。各類線纜應(yīng)盡可能避免架空敷設(shè)，穿管埋地，遠(yuǎn)離防直擊雷裝置，以減少感應(yīng)電磁脈沖對(duì)傳輸線的影響。4.結(jié)束語(yǔ)為達(dá)到石油化工儀表系統(tǒng)的防雷，要對(duì)整個(gè)生產(chǎn)裝置按照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)和電源線等多方面綜合考慮，采用直擊雷防護(hù)、等電位連接、屏蔽、規(guī)范的綜合布線、SPD保護(hù)、合理的接地等多種辦法，需要電氣、建筑、自控等專業(yè)協(xié)同合作來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)要考慮到系統(tǒng)的安全性、投資的本錢及運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。參考文獻(xiàn)一、