探讨仪表和控制系统的防雷设计

探讨仪表和控制系统的防雷设计
摘要：在新时代的背景下，科学技术加速发展，化工企业自动化水平日趋提高，装置安稳、长效运行越来越依赖仪表和控制系统的正常运行。

采取有效的防雷措施可保证仪表系统免受干扰和破坏，本文针对仪表和控制系统的防雷设计进行深入性的分析与探究。

关键词：仪表控制系统；防雷
由于雷电的破坏能力极强，会干扰仪表和控制系统，使其误动作，进而导致化工装置的停工和停车，造成重大的经济损失，甚至会危害到人们的生命安全。

所以对现场仪表和控制系统的防雷显得尤为重要。

采取经济有效符合地区特点的防雷措施是每个化工企业工作的重点。

1.仪表系统防雷的介绍
1.1基本原理
仪表防雷的基本原理是限制电流、电压和能量。

设法拦截和疏导直接雷或感应雷电磁脉冲产生的大电流或大电压在到达仪表和控制系统信号和通讯回路、电源设施等重要输入口之前泄放入大地，并将残余雷电流产生的二次电压控制在仪表所能承受的范围内，使仪表免受雷电损害。

鉴于雷电持续时间较短的特点以及大部分仪表和控制系统具有防干扰的功能，残余的雷电流对信号造成的干扰可以忽略不计。

1.2仪表系统防雷的重要性
当前，根据仪表和控制系统的实际使用情况，仪表和控制系统所具有的特点主要表现在绝缘强度低、耐电涌能力差、抗外界干扰性弱，时常受到雷击的影响与侵害，使企业受到了较大的损失[1]。

而工业仪表控制系统存在雷击侵害的主要因素不仅是自身所具有的系统电压低、工作电流小，系统越来越复杂等特点，更可能是因为没有良好的系统接地措施和雷电防护对策。

因此，当雷雨天气出现时
极易受到雷击冲击影响，会使现场仪表和控制系统输入输出模块以及电源输入端
等受到频繁的电磁冲击损伤，严重时出现系统异常联锁或系统瘫痪等问题，导致
装置生产、运营无法正常的进行，使企业承受重大损失。

2.浅析雷击对仪表控制系统的破坏
2.1分析雷击的种类
大自然中的雷击主要分为三种，云内雷、云际雷与云地雷，工业仪表系统最
易受到云地雷的影响，云地雷按破坏方式分为感应雷、直击雷[2]。

其不同之处在
于直击雷主要是云层中具有电的情况下和大地的某一区域的一点之间迅速出现放
电现象，而感应雷是通过直击雷后出现的二次雷，当直击雷发生后，带电的云层
很快会消失，地面部分区域散流电阻大，从而出现局部高电压的情况，产生十分
强大的脉冲电流，与周围的仪表控制系统中的金属物和通电导线出现电磁感应现象，若仪表和控制系统的输入输出模块接地存在隐患，巨大的能量将损害有关的
电子元器件，对其造仪表系统造成成了不利影响。

2.2分析直击雷和感应雷对仪表控制系统的破坏
在工业仪表控制系统中，感应雷和直击雷的危害较大，另外，球形雷是也是
常见的一种雷击。

在雷雨天气环境中，这三种雷击均会对仪表控制系统造成较大
的破坏性，基于此，对仪表控制系统的破坏进行分析为以下三种。

（1）直击雷。

根据科学相关知识，直击雷能够对大地中的建筑物和生物造成损伤，主要是因为
伴随直击雷出现的相应物理效应，例如电效应和机械效应等，因为出现直击雷时
能量较大，会对地上造成严重的影响，导致不同生物的伤亡情况，甚至能够对地
上建筑物造成摧毁[3]。

仪表的传输管线对工业仪表控制系统十分重要，当处于建
筑物外的仪表外壳或仪表箱体受到雷击时，能量通过与之相连的管路对仪表传感
器模块电路板进行释放，从而出现接地短路或断路。

仪表无法正确传输相关信号，使得仪表控制系统错误联锁或拒动，干扰企业的正常生产。

（2）感应雷。

和直
击雷相比，感应雷对仪表控制系统的破坏性更大，能够对仪表控制系统造成致命
的破坏，导致十分严重的后果。

感应雷和直击雷的雷击原理有着本质的区别，感
应雷主要是通过大气中的云层对大地出现放电，使与其相邻的导电物体出现局部
高电压的情况，此种高电压作为一种感应电动势，通过带电导体引入到工业仪表
控制系统的设备中，影响仪表控制系统的有效性，使其受到破坏。

（3）球形雷。

此种雷形成的方式是通过雷雨天气环境而在天空中形成的，按照相关物质知识能
够发现，球形雷是在空中飘浮的一种球体，且具有发光的特征，属于空中的一种
球星闪电，此种雷在空中飘浮的过程中能够发出爆裂声。

球形雷是一种雷击现象，但是却十分奇怪，通常，气象学家不能够及时发现球形雷，因为球形雷会对工业
仪表等导电物体、大地上的生活造成的破坏较轻，与感应雷和直击雷相比，较弱。

1.
自动化仪表系统防雷的主要措施
仪表系统的防雷包括现场仪表和控制室仪表防雷两部分，防雷的主要措施为
接闪与分流、设置浪涌保护器、接地、屏蔽。

3.1接闪与分流
石油化工装置中的机泵、反应塔、储罐等均属于常见的户外设施设备，这些
设施设备通过联接管线形成一个完整的生产体系，在实际设计的过程中应对防雷
情况进行详细的考虑。

可针对高层金属构架、管道、金属密闭容器的壁厚超过4
毫米的直接接地[4]。

同时，接地点应当在两处以上，且两接地点之间的距离应当
在30米以上，当超过30ITI增加接地点，从而冲击接地电阻应当低于30Q。

此种
方式就是充分发挥管道、容器的金属导电特性，使其承担引下线、接闪器的作用，通过结合接地装置，形成一个具有完整性、良好的防雷装置[5]。

特别是超高反应
塔常用最顶部的吊耳充当接闪器。

由于厚度大于4毫米的金属设备以及管道，受
到雷电的直击时不会受到严重影响和损伤，可将需保护的现场仪表布置在其保护
范围内。

在各个区域的装置中分布的仪表电缆路径，当部分电缆路径需要延伸至
装置区域外时，特别是在无任何金属架构的空旷区域时，受到直击雷的可能性大
大增加。

针对此种情况，可采用避雷针加以防范、解决，将电缆设置在具有避雷
针保护的区域中，对此需要特别注意的是避雷针应和被保护的的桥架之间的距离
标准，主要是为了避免出现二次雷击等现象。

另外，在空旷区域和高处区域安装
仪表时，尽量避免将其设置在高点位置中，如果无法避免此种情况，应当对仪表
安装仪表箱，且仪表箱应当具备良好的接地。

当其仪表十分关键的情况下，可根
据实际情况安装避雷针实现双重保护，详情请参见GB15599。

由电气专业完成对
引下线、接闪器等相关直击雷防护的设计工作，仪表专业应与电气专业充分沟通，讨论仪表的安装位置，并基于电气专业的相关标准与要求进行设计。

无论防雷最
终归属谁设计，现场仪表、总线仪表都需要确保在电气专业的直击雷防护范围区
域内。

3.2设置浪涌保护器
浪涌保护器是一种给电子设备或仪器仪表的信号回路、电源回路和通讯线路
提供防雷保护的电子设备，它的主要通过限制过电压和泄放瞬间大电流实现被保
护设备进行防雷的；它是石化装置现场仪表和控制系统比较行之有效且必不可少
的重要防雷设备。

浪涌保护器分为通用式、装配式和内置式。

现场仪表一般采用
装配式，可用于防爆区域，且不会改变仪表本身整体的防爆结构，通过三通接口
安装在现场仪表的电气接口或直接接入备用的电气接口，并用接地线与现场仪表
的金属外壳或接地端子相连，以保证可靠接地。

当不便采用装配式，需要成套安
装时可采用内置式浪涌保护器，它集成在仪表内部，不需要另配接口和接地线。

通用式浪涌保护器为非防爆结构，只能用于设置在安全区域或抗爆结构的室内仪
表系统中，室内浪涌保护器一般设置在比较重要的回路中。

比如控制系统总电源
入口、稳压电源入口、阀门定位器、变送器和信号通讯口等。

浪涌保护器通过接
地导轨安装在仪表机柜内，导轨就近接入控制室的保护接地汇流条或机柜下方的
网型接地排上。

为达到雷击时对地尽快泄放大电流的目的，所有接地导线采用直
线路径敷设方式，长度要尽可能短，并保证可靠接地。

3.3接地
3.3.1接地系统的构成
通常情况下，化工仪表防雷工程主要分为室内与室外两部分。

室内仪表接地
系统主要是针对现场机柜室、各类控制室等。

室外仪表接地系统主要是应用在现
场仪表、现场控制盘上。

接地主要有两种措施：浮地、多点接地。

通过多点接地
实现与地电位等电位连接的方式已经被大多数仪表系统防雷工程采用。

3.3.2等电位接地系统的设计
等地电位连接通常分为两种形式进行组合连接，分别为S型和M型两种网络结构连接方式。

S型和M型所体现的形式如图1。

通常情况下，S型等地电位连接网络可在较小的局部系统中应用，从接地基准点中将所有电缆以及设施管线引入其控制系统中。

M型等地电位连接网络会采用多点连接的组合形式引入共用接地系统中。

通常情况下，M型等地电位连接网络主要是对开环系统进行延伸，并且需要将多种电缆与线路进行敷设，将其在各个设备之间敷设，将电缆、设施通过其他点放置于控制系统当中。

由于系统具有一定的复杂性，可将S型、M型等地电位进行组合并连接到网络中，将两种型式所具有的优势相互融合、促进，以此来等地位连接的重要作用与意义充分发挥。

图1 S型、M型等地电位连接
仪表系统是一种低频小信号系统，此种系统所采用的接地方式为“单点接地方式”，所以，控制室内所采用的结构通常为S型星型结构，实施单点接地，也就是1个ERP。

除了在电源总将性线进行一次接地以外，其他不同的接地分类在实际汇总后需要在建筑物的不同层面上等电位连接板上进行连接，通过此种方式与接地极相连接。

当前，我国的石油化工仪表系统所采用的接地措施主要分为两种，其一是浮地，其二是多点接地，但是，根据防雷的实际需求，这两种接地方式都无法符合防雷的标准与要求，在连接保护地和工作地后，将防雷接地系统进行接入，能够对此种问题进行良好的解决。

图2 等地电位连损
3.3.3现场仪表的接地连接
针对现场仪表的金属外壳需要根据实际情况寻找最近的接地进行，也可通过
连接接地的金属体进行。

另外，现场仪表的浪涌防护器中的接地端子需要连接仪
表外壳中的接地端子。

3.4屏蔽
通常，石油化工仪表系统会应用大量的器件、电路、电缆。

例如半导体器件、低压信号电缆以及集成电路，当出现雷击情况后，所出现的瞬态电磁脉冲能够在
这些元件上进行直接辐射，或是能够在信号线、电源中对瞬态过电压波进行及时
感应，随着线路进入电子设备中，对电子设备造成严重的影响，使其在运行的过
程中出现失灵或损坏。

基于此，为了能够更好地避免此种情况，需要通过有效的
防护措施进行防范，为了能够阻碍电磁脉冲的能量传播情况，需要通过屏蔽体进行。

针对仪表系统所具有的防雷屏蔽功能，包含了以下几方面：（1）控制室屏蔽。

对于仪表系统而言，控制系统的作用与意义至关重要，可称其为仪表系统的
心脏，十分敏感雷电所存在的电磁脉冲，基于此，应当对屏蔽问题加强重视与关注。

仪表控制室在设置时，需要对其的结构进行封闭设计，避免设计为有窗空间，对房屋墙壁中的结构钢筋交点处进行连接，将其与金属门框同时进行焊接，构
建后成为一个屏蔽笼子并具备一个带门开口，在室内环境中，围绕墙壁进行设置，从而形成一圈保护接地环，确保墙壁四周都能够做好相关防雷地，并将屏蔽笼和
接地环进行有效的电气连接。

（2）现场仪表屏蔽。

为了能够确保防雷工作，可
对现场仪表的仪表箱作为金属材料，更好的做好防雷屏蔽工作，仪表箱接入防雷
接地系统。

（3）信号线和电源线屏蔽。

雷电电磁脉冲在信号与电源线路中能够
对瞬态过电压波进行感应，为了有效避免此种情况，应当确保所应用的电缆线都
具备金属屏蔽层，例如各种信号线和电压电源线，尽可能防止电缆会暴露在保护
管外部空间中。

对于瞬态过压防护，需要对通过将电源线和信号线的屏蔽层随着
线路进行多点接地，或是在线路的起、始两头进行接地。

在通过多点接地后，各
个接地点所具备的屏蔽层会随着线路的实际情况形成回路，一旦电磁场受到一些
因素的影响导致成为低频干扰电流，屏蔽层会出现部分覆盖情况，在电缆的芯一
护套回路会出现低频干扰情况，因此，对屏蔽层沿线路有一定的要求，需要应用单点接地。

为了能够有效避免因为多点接地而存在的低频干扰情况，可在金属管内或是钢制电缆槽盒中辐射电缆，利用双屏蔽电缆对金属管、电缆槽盒等进行多点接地，
通过应用一段接地的方式对电缆的内屏蔽层进行，不仅能够有效确保其安全性与稳定性，还能够促进对低频干扰的有效抑制作用。

结束语：
综上所述，仪表防雷工程具有一定的复杂性，是一种综合性的工程。

而是由化工仪表在实际应用中也具有一定的特殊性质。

为了能够确保石油化芎装置自动化系统的防雷性，因有效设计并控制整体生产装置，在具体设计中应当按照等电位连接的相关原则与标准进行，全方面考虑相应的问题，例如对现场仪表、电源线等，采用等电位连接、屏蔽、接地等综合多种措施，更好的实现电气、建筑以及自控等多方面的专业性的合作方式，在考虑到系统安全的基础上应当对其投入的成本以及相应的经济效益进行合理的分析与保障。

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Internal。