浅谈如何做好仪器仪表防雷工作

浅谈如何做好仪器仪表防雷工作

浅谈如何做好仪器仪表防雷工作

摘要：雷电是一种常见的自然现象，约有15%雷会落到地面产生危害。因此有效地防止雷电对仪表系统所产生的危害，是保证仪表系统安全、稳定运行的重要前提，文章分析了雷电侵入仪器仪表的途径，并给出防护措施。

关键词：仪器仪表；雷电；防护

随着现代电子技术的不断发展，大量精密电子设备不断得到使用和联网，安装在自动控制系统中的设备经受着直击雷、感应雷、雷电瞬间过电压、零电位漂移等浪涌和过电压的侵蚀，经常会受到各种过电压、过电流的危害。由于一些电子设备工作电压仅几伏，传输信号的电流也很小，对外界的干扰极其敏感，而雷电的高压可高达数十万伏，瞬间电流可高达数十万安，因此具有极大地破坏性。这些过电压是破坏大量电子设备的主要危险源，因此有效地防止雷电对仪表系统所产生的危害，是保证仪表系统安全、稳定运行的重要前提。

1雷电干扰对仪器仪表系统的危害

雷电是一种常见的自然现象。夏天的午后或傍晚，地面的热空气携带大量的水汽不断地上升到高空，形成大范围的积雨云，积雨云的不同部位聚集着大量的正电荷或负电荷，形成雷雨云。地面因受到近地面雷雨云的电荷感应，也会带上与云底相反极性的电荷。当云层里的电荷越积越多，达到一定强度时，就会把空气击穿，打开一条狭窄的通道强行放电，这就是雷电。约有15%雷会落到地面产生危害。

对于仪表系统来说，由于控制系统安装在有保护的建筑物内，现场仪表一般都安装在设备或管道上，而他们都是良导体，另一方面，装置区都采取了防雷设施，又加上仪表本身体积较小，因此，仪表系统直接接闪的可能性极小。然而，连接现场仪表和控制仪表的电缆，则有传到雷电感应电波的可能。这主要因为电缆敷设在装置各个区域，连接距离长，当雷击发生时，靠近雷击点的电缆产生感应电压，并向“地”传导，形成瞬间浪涌电压或电流。

2雷电侵入途径分析

雷电损坏设备通常有4条途径：一是直击雷，即雷电直接击在建筑物、大地或防雷装置等实际物体上，它的特点是能量大，伴有强大的冲击电流、炽热的高温、猛烈的冲击波等；二是雷电感应，即闪电放电时，在附近导体上产生静电感应和电磁感应，所形成的雷电电磁脉冲和雷电浪涌沿着与设备相连的信号线、动力线等侵入设备而使其损坏。雷电感应，因其传播途径多，破坏面广，破坏作用不可预见，而容易被人忽视，其后果远比直雷击严重得多，对仪表系统的危害也最大；三是地电位反击，即雷电流经过接地点或接地系统（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，而引起该区域地电位上升（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，直接击穿用电器的绝缘部分，使仪表系统产生干扰乃至损坏；四是设备安装方法包括线路和布局、安装的位置不规范，受雷电在空间分布的电场、磁场的影响而损坏。

3仪表系统防雷保护措施

防雷的基本途径就是要提供一条雷电流（包括雷电电磁脉冲辐射）对地泄放的合理的阻抗路径，而不能让其随机地选择放电通道。简言之，就是要控制雷电能量的泄放与转换。

防雷保护的三道防线：

1）外部保护：将绝大多数雷电流直接引入大地泄散；

2）内部保护：阻塞沿电源线或数据线、信号线侵入的雷电波危害设备；

3）过电压保护：限制被保护设备上的雷电过电压幅值。

这三道防线相互配合，各尽其职，缺一不可。而仪表系统防雷的重点是内部保护，即感应雷的防护和设置电压保护器。

感应雷的防护是从整体和系统建立起三维的防护体系，在被保护设备构成的系统中可采取以下措施：

3.1等电位连接

等电位就是保持系统各部分不产生足以致损的电位差，即系统所在环境及系统本身所有金属导电体的电位在瞬态现象时保持基本相

等。厂区、装置区、现场爆炸危险区以及控制室的建筑区域内，必须将所有金属设备、部件、结构的金属导体，用导体互相连接起来，形成一个电气上连续的整体，即等电位体，使其雷感电势（电压）均衡，并接入防雷接地系统。等电位连接通常有S型和M型以及两种形式的组合。仪表系统属于低频小信号系统，宜采用S型结构，实行单点接地。

3.2接地

仪器仪表系统防雷时还要求对相邻两建筑物之间通过的电力线，通信电缆均必须与建筑物接地系统连接起来（不能形成回路），以利用多条并行路径减少电缆中的电流。仪器仪表系统的接地更应当注意系统的安全性和防止其它系统干扰。一般来说工作状态下仪器仪表系统接地不能直接和防雷地线相连，否则将有杂散电流进入仪器仪表系统引起信号干扰。正确的连接方式应当在地下将两个不同地网，通过放电器低压避雷器连接，使其在雷击状态下自动连通。

3.3屏蔽

仪表系统中使用了大量的半导体器件、集成电路以及传递信号的线缆，当有雷电电磁脉冲作用在这些物体上时，将在这些器件或与之相接的设备上产生瞬态过电压，造成设备或装置误动作和损坏。因此，合理必要的屏蔽措施将有效地防范雷击灾害。仪表系统的屏蔽防护措施主要包括控制室屏蔽，现场仪表屏蔽和信号电缆屏蔽。控制室应将等电位体与接地装置进行可靠电气连接，同时要做好门窗的屏蔽防护，不能留有死角。现场仪表应尽可能安装在机箱或机柜中，并将其外壳与接地装置进行等电位连接。信号电缆应使用双层屏蔽线并穿入金属管内或封闭式电缆桥架，然后将金属管或电缆桥架就近保护接地网有效连接。

3.4合理布线

强电系统、弱电系统、信号系统对电磁干抗的敏感度各不相同，而且各类线缆在运输各信号中还会相互产生电磁干扰因此，仪表系统中电源线缆、信号线缆以及本安线缆分开敷设，进入控制室的各种信号线缆都要穿金属管保护或封闭式电缆桥架，以实现可靠的屏蔽。另外，由于用作引下线的钢筋混凝土柱内的钢筋和整个建筑物的屏蔽网

都在外墙处，雷电流须经此处的钢筋分流到接地装置上，所以外墙处的电流密度大、电磁场强。因此，控制室中的电源和信号线路不应靠近外墙，最好设置在建筑物的中心部位。

3.5提高仪表系统的抗扰度

新型工业自动化仪表和系统包含许多电子线路，在化工、冶金、炼油和发电等较为恶劣的工业环境中应用，处于各种工业设备所产生的电磁骚扰影响之下。为保证敏感的电子线路能正常工作，必须考虑仪表和系统的电磁兼容性。仪表系统电源干扰类型主要有7种：跌落、失电、频率偏移、电器噪声、浪涌、谐波失真、瞬变，仪表信号干扰类型主要有：共模干扰、串模干扰、浪涌等。其中跌落、浪涌、瞬变干扰主要是由雷击产生的。

4结束语

由于仪器仪表系统多采用集成电路和分散控制的单元，线路延伸到现场的各种环境之中，对瞬间过电压承受能力大幅度减弱。采用任何单一的防雷方法和防雷器件难以保证其安全可靠，必须采取综合防护措施，才能将雷击灾害减少到最小。

参考文献

[1]朱小兵.仪表防雷技术应用探讨[J].硅谷，2008，18.

[2]徐义亨.关于仪表控制系统防雷的几个问题[J].世界仪表与

自动化，2008，12.

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