邹凯开
中国石油天然气股份有限公司锦州石化分公司 辽宁省锦州市 121001
摘要：介绍了石化仪表系统受雷击危害的原因，结合相关规范和室内外仪表实际应用经验，从接闪、分流、均压、等电位连接、屏蔽和设置浪涌保护器等方面提出石化仪表系统防雷的主要手段。
关键词：仪表系统；防雷；屏蔽；接地；浪涌保护器；
随着石油化工行业自动化程度不断提高，仪表系统成为石油化工连续生产必不可少的神经中枢。但仪表设备普遍存在绝缘强度低、过压和过流耐受能力差、对电磁干扰敏感等弱点。一旦仪表设备受到雷击危害，雷电过压、过流和脉冲电磁场会通过仪表信号线、汇线槽、穿线管等途径到达控制室内，严重威胁安全生产。
本文从仪表系统防雷设计规范方面出发，结合现场各种防雷设备的实际使用情况，分析了现有仪表系统的防雷现状，探讨一些可行的防雷方法。
1.雷电危害的划分
1.1.雷电区域划分
按SH/T 3164-2012《石油化工仪表系统防雷设计规范》内4.1.2条规定：控制室建筑物应按GB 50057第一类防雷建筑物的规定，采取防雷措施。
锦州地区平均雷暴日数为：28.8d/a， 参考“综合评估法雷电防护等级表”，锦州石化内控制室仪表系统均属于一级防护等级。故应实施仪表系统防雷工程。控制室防雷工程建设参考GB 50057，属于建筑物建设和电气工程专业，这里不做介绍。[2]
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1.2雷电危害的三种途径
1.2.1雷电直击：直击雷直接击中仪表设备，损坏电子设备。
石油化工厂内自动化仪表系统可分为控制室仪表和现场仪表。有极少数的现场仪表位于罐区等空旷地带或位于装置的高点，容易遭受直击雷雷击。大多数装置仪表都安装在设备或管道上，这些设备或管道都是良导体。另外，装置区都采取了防雷措施，加上仪表本身体积较小，因此，仪表本身直接“接闪”的可能性较小。
1.2.2雷电感应：当金属架构、防雷装置接闪时，在引下线内会通过强大的瞬间电流，对周围一定范围内电缆产生电磁感应。或当闪电在云层与云层之间发生放电而产生瞬变电磁场，强大的瞬变电磁场通过耦合作用在电子设备、线路上感应出很高的瞬态过电压，通过管道、电缆就可能将高电位引入仪表系统，造成干扰和破坏。
1.2.3雷电反击：当雷电击中具有防雷装置的建筑物或设施时，由于地电位浮动，可以使变送器和控制系统之间、DCS机柜外壳与柜内电子设备的地电位差高达数千伏，足以将仪表、电子设备击穿。
2.仪表系统防雷的必要性和主要防护手段
2.1雷电防护的必要性
仪表系统防雷击投入是需要经济投入的，那么什么情况下应该实施仪表系统防雷工程？如何对雷击危害进行风险评估？不能等到受了雷击损害后才开始推进雷电防护措施。
参考IEC62305-1，对雷击防护的必要性和经济合理性有一个量化分析标准。
将雷击事件可能造成的损失分成四类，当人身伤害损失风险+公众服务损失风险+文化遗产损失风险之和大于可容忍的风险时，则有必要进行雷电防护。
当采取雷电防护措施后，仍然存在的经济损失的价值+雷电防护的投资之和小于未采取雷电防护措施时造成的经济损失的价值时，则雷电防护的经济投入是合理的。[1]
2.2雷电防护的主要手段
仪表系统雷电防护主要采用外部防雷和内部防雷结合的综合防护措施。
外部雷电防护：包括接闪器、引下线、分流、接地装置和控制室的屏蔽等，用于防直击雷。
内部雷电防护：包括有电缆的屏蔽、机柜的屏蔽、等电位连接、合理布线、配备浪涌保护器（SPD）以及提高仪表系统的抗干扰度等，主要用于减小和防止雷电流在防护空间内所产生的电磁效应。[2]
2.2.1现场仪表的防护
现场仪表的电涌防护应采用屏蔽、接地及安装电涌防护器的方法，金属外壳、金属保护箱应为全封闭式。需要进行雷电防护的非金属外壳的仪表应装在钢板材质的仪表保护箱内，而且现场仪表应避免成为接闪设备
当现场仪表的安装位置可能使其成为接闪物体，又无法移动时，应将仪表装在全封闭钢板的仪表保护箱内，箱体接地，箱体厚度大于1mm，并使用4mm×40mm/厚×宽的热镀锌扁钢连接接地，至少有应有两条纵向焊缝，每条焊缝焊接长度应大于80mm，焊接处应做防腐。
2.2.2现场仪表的接地
现场仪表的金属外壳、仪表保护箱、接线箱及机柜的金属外壳应就近接地或与接地的金属体相连接，现场仪表金属外壳可以通过金属安装支架或金属设备自然接地。金属设备、容器、塔器和操作平台上的现场仪表应与设备和操作平台进行等电位连接。位于1区爆炸危险场所的仪表及金属支架，应防止出现连接间隙，避免雷电流引起火花。非金属设备顶部安装的仪表，应就近接地。
用于雷电电涌电流泄放的连接导体、电线、电缆应尽可能短，宜采用直线路径敷设，不得保留多余导线或将导线盘成环状
接地连接导线应采用机械连接方法，实现可靠、良好的压接。应采用镀锡铜片连接片压接，并应采用带有防松垫片的镀锌钢螺栓压接固定。同一压接点不应压接多条导线。
2.2.3现场浪涌保护器安装的必要性
浪涌保护器的设置只是防雷工程的一部分，应该综合考虑经济投入成本，不应滥设。
在易受雷击的区域范围，重要联锁仪表设备、控制回路、昂贵易损的精密仪表设备应在现场测量端和控制室隔离栅前均设置浪涌保护器；普通仪表设备受雷击危害造成的经济效益损失在10万元以下时可不设置浪涌保护器。
例如通过对部分罐区仪表设备主流厂家的调研：EJA系列变送器如果在选型时在附加规格内加选“A”，会有设备自带“避雷器”功能，而如果设计选用的都是不带“避雷器”功能的设备则需要外配浪涌保护器。E+H的雷达或伺服液位计只有电源板部分有一定的抗浪涌能力，信号处理部分则没有抗浪涌能力，所以加装浪涌保护器对仪表设备的防护很有必要性。
2.2.4现场浪涌保护器的连接
如果现场仪表没有可用的备用电气接头，可以在信号电缆电气接口处外接三通。现场仪表外壳一定要有可靠的接地。热电偶、触点开关、现场端可不用设置电涌保护器，配电间及电气控制室来的机泵信号可不设置电涌保护器。
如果使用F*-LB-I系列装配式浪涌保护器，需要区分现场仪表为两线制、三线制还是四限制，仪表设备电气接口螺纹连接规格，均对应不同型号。
如果使用TP48系列也要注意选型，不同之处在于RS485通信现场仪表（保护24VDC供电和通信输出）要选用TP24系列的特殊浪涌保护器。
2.2.5浪涌保护器的回路连接
如果现场仪表不具备装配条件，也可以选择安装浪涌保护器防护箱（OPTION1），防护箱必须良好接地，但一般不推荐此法。仪表电缆进入控制室后，应先接电涌防护器，再接后续仪表及控制系统，现场仪表端设置电涌保护器的信号回路，在控制室内的仪表系统端也应该设置电涌保护器，且一端只设一级防护器。
2.3控制室仪表系统的防雷
2.3.1控制室建筑物防雷
控制室应按GB 50057第一类防雷建筑物的规定，采取防雷措施。安装仪表系统的控制室、机柜室不应向建筑物外开窗、开门，位置宜选择在建筑物底层中心部位。仪表系统设备的安装位置距建筑物外墙的内壁距离应大于1.5m，对于抗爆结构的建筑物，仪表系统设备的安装位置距建筑物外墙的内闭距离应大于1.0m
将控制室的墙和屋面内的钢筋、金属门窗等进行等电位联接，并与防直击雷的接地装置相联接，使控制室形成一个法拉第笼，可以减少电磁脉冲的影响。[3]
HG/T 20513-2000对屏蔽电缆的接地、原则上是规定一端接地，另一端悬空。但单端接地只能防静电感应和低频干扰，防不了磁场强度变化产生的感应电压，即无法有效阻止雷电波的侵入。为此，应该增加有绝缘层隔开的外层屏蔽，并至少在两端做等电位连接（控制室内的接地排应单独设置），通常，利用金属走线槽或金属穿线管作为外层屏蔽，但中间必须有连接良好并且两端接地，进入机柜间前应有一定的埋地长度。
对老装置的防雷技术改造，控制室防雷应该列为重点。老式的玻璃纤维钢化的仪表电缆槽盒、塑料材质的接线盒应在大修中逐步淘汰。
2.3.2机柜的接地
控制室内的所有金属结构、管道、支架、金属活动地板等应进行等电位连接，并采用直接与接地连接导体连接，或采用导线与接地连接导体连接的方式。连接导线应采用截面积不小于4mm2、长度不大于0.5m的多股交合绝缘铜线，接地导体应采用截面积为4mm×40mm/厚×宽的热镀锌扁钢或不锈钢
控制室内仪表信号电缆槽及穿线保护管的入口处应单独设置接地排，直接与室外的电气接地装置相连接。仪表穿线管及信号电缆槽应与此接地排相连接。如果具有埋地穿管条件，埋地长度应大于15米。大型机柜室（最远机柜间距大于20m，或面积大于20m×15m），应在室内沿墙设置环形接地排，或按适当的路径设置网状或分支的延长型接地排作为仪表总接地排。仪表系统防雷工程的接地连接宜采用S型的结构形式。
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图2 浪涌保护器机柜内接地
插接式浪涌保护器，不需要设置独立的浪涌保护器柜，对于老装置防雷改造工程适用，但是要注意机柜内是否有充足的安装距离。
3.结束语
雷击事件是低概率事件，提高雷击防护概率是要付出经济成本的，技术上也做不到万无一失。所以，应当综合考虑雷电损失和防护成本，因地制宜地采取防雷措施，防止和减少仪表系统雷电事故的损失。
相比较现场仪表，应该重点关注机柜间内控制系统的防雷工程：
1．检查电缆槽、穿线管在进入机柜间进线口的内外墙接地是否合理，中间连接、接地是否良好；
2．检查机柜间工作地、保护地的接地方式是否合理；
3．检查控制室内的等电位连接是否合理；
4．检测控制系统接地电阻是否在4Ω以下；
5．对罐区、空旷地带的仪表信号电缆要重点防范，隔离栅前要增设浪涌保护器；
参考文献：
[1]叶向东.石油化工仪表系统防雷工程设计（Ⅰ）.石油化工自动化，2008,44（03）:1-9
[2]叶向东，徐义亨，欧清礼，等.SH/T3164-2012石油化工仪表系统防雷技术规范.中国石化出版社，2012
[3]徐义亨，刘华美，陈菁菁.分散型控制系统的防雷.石油化工自动化.2003,4:1
[4]林维勇，黄友根，焦兴学，等.GB50057-2010建筑物防雷设计规范.中国计划出版社，2013