解析石化仪表系统防雷措施合理性

解析石化仪表系统防雷措施合理性

郭建 张玲

中国石油天然气股份有限公司锦州石化分公司

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，提出石化仪表系统防雷的主要手段，并分析其合理性。

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的不断提高，仪表系统成为石油化工连续生产必不可少的神经中枢。一旦仪表设备受到雷击危害，导致雷电过压、过流，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，严重影响仪表系统正常运行进而威胁安全生产。

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，探讨一些防雷方法的合理使用。

1. 雷电危害的三种途径

1.1雷电直击：直击雷直接击中仪表设备，损坏电子设备。

石油化工厂内各装置区都采取了有效的防雷措施，加上仪表本身体积较小，且大多安装在管道和设备上，因此装置区仪表本身直接“接闪”的可能性极小。同时，罐区和空旷地带的现场仪表会有少数位于装置的高点，容易遭受直击雷雷击，但在罐区内都具有完善的防雷设施。因此，仪表本身直接“接闪”的可能性也较小。

1.2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。通过管道、电缆就可能将感应信号引入仪表系统，这是造成仪表干扰和损坏的主要原因，也是我们需要防范的主要内容。

1.3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。因为现在装置区和罐区都具有较全面的防雷和接地措施，所以当雷电反击电位差较大时可能会造成仪表瞬间干扰，但造成仪表损坏的可能性较小。

2. 仪表系统防雷主要手段

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]

图1 仪表系统防雷工程通用手段

2.1现场仪表外部的防护

现场仪表金属外壳、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安装在钢板材质的仪表保护箱内。

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现场仪表的接地的防护

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。

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。

2.3现场使用浪涌保护器的防护

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。

图2 现场浪涌保护器装备方式

（从左依次为浪涌防护器、接线箱接法、表头接法）

2.4回路连接使用浪涌保护器的防护

图3 浪涌防护器回路连接

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，现场仪表端已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。

2.5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。将控制室的墙和屋内的钢筋、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]

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

2.6控制室仪表系统的防雷

对于需要防雷功能的仪表和接地系统，应采用网型结构。仪表及控制系统的工作接地和保护接地均应就近接到网型接地排。网型接地结构宜在机柜底部的支撑上安装接地排，应采用截面积为40mm×4mm（宽×厚）的铜材或热镀锌扁钢制作接地排。应直接焊接，当需要导线连接时宜采用25mm2～70mm

² 的绝缘多股铜芯导线焊接或压接。^[2]

图4 机柜与网型结构接地示意图

3. 仪表系统防雷手段的合理使用

各种仪表系统防雷措施的投入都是有成本的，所以不应出现过保护情况。综合上述的仪表设备防护手段，对于易受雷击区域内的重要联锁仪表、控制仪表、昂贵易损的精密仪表采取必要的雷电防护投资是合理的。对于常规仪表且雷电防护投资总额超过仪表自身价值的就不必采取雷电防护措施。

3.1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，表1以罐区常用仪表为例分析现场浪涌保护器使用的合理性。

3.2控制室内浪涌保护器安装的必要性

控制室内浪涌保护器的作用是把由于雷电造成窜入信号线的瞬时过电压和感应电压，以及将强大的雷电流泄流入地，保护核心控制系统不受冲击而损坏。罐区、空旷地带的仪表信号进入控制室时要先安装浪涌保护器，这对于系统硬件的保护是非常必要的。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。

3.3仪表系统合理接地的必要性

首先，控制室内仪表系统接地要严格按“SH/T3081-2019石油化工仪表系统防雷技术规范”进行设计和施工，能有效的避免雷电对仪表系统造成的冲击，且这项工作是装置建设时的基础工作，受益于装置的全生命周期，所以必须得到重视。其次，现场仪表要针对现场实际情况，特别是罐区、空旷地带现场仪表要采取接地措施，因为现场仪表接地措施经济投入小，但能一定程度的避免这些仪表受雷电影响而损坏。

现场仪表、控制室仪表及机柜接地线应使用合理接地导线，应采用绝缘多股铜芯电缆或电线，其截面积分别为：室内安装的单台仪表接地导线：2.5mm²；现场仪表的接地连接导线：4mm²-6mm²；机柜内汇流导轨或汇流条的连接导线：4mm²-6mm²；机柜之间的接地干线：6mm²-16mm²；连接总接地板的接地干线：10mm²-25mm²。

4. 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，现有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，来减少仪表系统雷电事故的损失。结合全文论述及石油石化企业现状应该重点关注机柜间内控制系统的防雷工程，且提出几点合理的雷电防护措施：

1. 做到罐区、空旷地带现场仪表采取外壳接地措施，因为这种措施具有投入小保护效果好的特点，所以要广泛使用。

2. 做到罐区、空旷地带的仪表信号电缆重点防范，导线不外露，线槽及导线管中间连接良好且做到良好接地；

3. 做到罐区、空旷地带的仪表在隔离栅前增设浪涌保护器，以保护核心控制系统硬件；

4. 做到现场关键仪表、昂贵仪表合理加装浪涌保护器。

5. 做到机柜间工作地、保护地的接地方式合理，接地电阻最好在1Ω左右，最大不超过4Ω；

6. 做到现场仪表、控制室仪表及机柜接地线选择合理。

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，冯欣， 杨刚，等.SH/T3081-2019石油化工仪表系统防雷技术规范.中国石化出版社，2020

[3] 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

作者简介及联系方式：

郭建、男、本科、学士、高级工人技师、中国石油天然气股份有限公司锦州石化分公司、维护班长、17604067488、3844061@qq.com

张玲、女、本科、工人技师、中国石油天然气股份有限公司锦州石化分公司、17604067403、4283447@qq.com