天然气集输站场自动化仪表系统防雷对策

天然气集输站场自动化仪表系统防雷对策

于兴榜

国家石油天然气管网集团有限公司西气东输分公司郑州输气分公司    郑州市金水区   450000

摘要：自动化仪表系统是一个集测量、控制、调节、优化、保护和诊断等功能于一体的综合系统。在天然气集输站场中，自动化仪表系统对于保证生产过程的安全、高效和稳定运行至关重要。针对此，本文依照文献对比法和理论分析法首先就自动化仪表系统的组成与功能进行了必要阐述，其次提出了天然气集输站场自动化仪表系统防雷措施，以供参考。

关键词：自动化仪表系统；天然气集输站场；防雷

引言：天然气集输站场是一个复杂的大型设施，其中的自动化仪表系统对于整个站场的运营至关重要。然而，这些敏感的设备常常容易受到雷电的影响，导致设备损坏，数据丢失，甚至触发安全事故。因此，针对这些设备的防雷保护措施尤为重要。本文将详细分析集输站场的防雷措施，包括场地的划分、设备的布局、材料的选择以及电磁兼容性设计等方面，以期提供一套全面、有效的防雷对策。

1、自动化仪表系统的组成与功能

1.1组成

传感器和检测元件：用于检测生产过程中的各种参数，如压力、温度、流量、液位等，并将检测到的物理量转换为电信号。

信号传输与处理装置：包括信号调节器、分布式控制系统（DCS）、可编程逻辑控制器（PLC）等。作用是对传感器检测到的信号进行放大、处理、传输和显示，以便于人机交互。

控制器：根据设定的控制策略对生产过程进行自动控制。控制器可以是模拟式或数字式的，如PID控制器、模糊控制器等。

执行器：接收控制器输出的控制信号，并根据信号实现对生产过程的调节。常见的执行器有阀门、泵、电机等。

辅助设备：包括电源、接地、防护、通讯等设备，用于保障自动化仪表系统的正常运行。

1.2功能

实时监测：通过传感器和检测元件实时监测生产过程中的关键参数，并进行数据记录和分析。

自动控制：根据预设的控制策略和实时监测数据，对生产过程进行自动控制，以保证生产过程的稳定和高效运行。

故障诊断与保护：对异常情况进行实时诊断，采取相应的保护措施，防止事故的发生。

优化调节：通过对生产过程的监测和控制数据进行分析和处理，对生产过程进行优化调节，提高生产效率和产品质量。

人机交互：提供直观的人机界面，方便操作人员对生产过程进行监控、操作和维护。

2、天然气集输站场自动化仪表系统防雷措施

2.1集输站场外部防雷措施

(1)雷电防护区划

雷电防护区的划定是防雷措施的基础和前提。基于防护的需求，可根据集输站的具体情况，如场地面积、建筑物高度、设备配置等因素，通过科学的计算和合理的设计，确定防护区的范围和层次。一般情况下，防护区可以分为主防护区和次防护区。主防护区应该覆盖所有重要设备和关键设施，提供最高级别的防护；次防护区则包括周边辅助设施等较为次要的部分。在防护区划定的过程中，还要考虑到雷电活动的频繁程度和可能的影响范围，确保所有重要设备和人员均在有效的防护范围内[1]。

(2)避雷针设置

避雷针是集输站防雷系统的重要组成部分，它的主要作用是在雷电即将击中时提供一个“路径”，引导雷电安全地通过避雷针进入地面，从而保护集输站内的设备和人员免受雷电伤害。避雷针的设置应遵循科学的设计原则和国家的相关规定，确保其有效地发挥作用。避雷针的设置位置、高度和数量应根据防护区的具体情况来确定，一般应优先考虑设置在高度较高、容易被雷电击中的位置。

(3)接地网布置

接地网的布置是防雷措施中的另一个关键环节。它的主要作用是提供一个低阻抗的通道，将接收到的雷电能量安全地导入地面。接地网的布置应根据集输站的具体情况，包括土壤的电阻率、地形、地质结构等因素来设计。接地网的形状、尺寸和布置方式应能满足防雷、电磁兼容以及设备和人员安全的需求[2]。

2.2集输站场内部防雷措施

（1）信号线与电源线的隔离

在天然气集输站的自动化仪表系统中，信号线和电源线的隔离是一项重要的防雷措施。由于雷电可能通过电源线或信号线进入设备，因此应在设计和布局阶段就做好隔离措施。常见的隔离方式有物理隔离和电气隔离。物理隔离主要是尽可能增加两者之间的距离，例如可以使用独立的电缆槽或管道进行布线；电气隔离则是通过隔离变压器或光电隔离器等设备来实现。为了确保有效的隔离，应确保电气隔离设备的隔离电压大于雷电冲击电压，例如通常需要达到2KV以上[3]。

（2）屏蔽室设置

首先，屏蔽室的设计必须满足一定的屏蔽效率。在电磁兼容性设计中，通常用分贝（dB）来度量屏蔽效率。实际应用中，屏蔽室的屏蔽效率应达到40dB以上，这意味着屏蔽室可以减少99%以上的外部电磁干扰。为了达到这一要求，屏蔽室的设计和施工需要严格按照IEC61967等相关标准进行。

其次，屏蔽室的材料应选择良好的导电材料。这是因为导电材料能产生反射和吸收电磁波的“皮肤效应”，从而实现电磁屏蔽。一般情况下，铜（电导率约为5.96×10^7S/m）或铝（电导率约为3.77×10^7S/m）是理想的选择。如果条件允许，可以选择厚度为0.5-1.5mm的铜或铝板材，这样既能保证良好的屏蔽效果，又能考虑到材料成本和施工难度。

（3）电磁兼容性设计

电磁兼容性设计是防雷措施的一部分，它主要是通过合理的设计和布局，降低或消除电磁干扰的影响，确保设备正常工作。首先，所有电气设备和自动化仪表应满足一定的抗电磁干扰能力，例如应通过IEC61000-4-5等相关标准的测试。此外，电缆的布线方式、设备的安装位置等也应考虑电磁兼容性，如电缆应采用屏蔽电缆，布线时应避免并行和交叉，设备间的距离应尽可能大。对于一些重要设备，还可以使用电磁波吸收材料进行防护。

2.3自动化仪表系统的防雷器件

（1）电源防雷装置

电源防雷装置，也称为浪涌保护器（SPD），是用于保护电子设备免受过高电压影响的重要设备。在电源线路中安装浪涌保护器可以在遭遇雷电冲击时，将过高的电压迅速引导到地线，从而保护设备的安全。电源防雷装置应按照国家和行业的相关标准选用，如IEC61643-1等，并在使用和维护中遵循相应的规定。电源防雷装置的选择应考虑到其最大连续工作电压（Uc）和最大放电电流（Imax）等参数，一般应选择Uc大于等于设备的额定工作电压，Imax大于等于预期的雷电冲击电流的设备。

（2）通讯线防雷装置

在自动化仪表系统中，通讯线路经常用于设备间的数据交换和远程控制，因此也需要有效的防雷保护。通讯线防雷装置通常集成了电源防雷和信号线防雷的功能，能同时对电源和信号进行保护。选择通讯线防雷装置时，应考虑到通讯方式（如串行、并行、光纤等）、通讯协议（如RS-232、RS-485、Ethernet等）以及设备的接口类型等因素。同样，通讯线防雷装置的安装位置应尽量靠近设备的入口处，且必须做好接地。

结束语：总的来说，天然气集输站场的防雷措施不仅需要综合考虑站场的布局，还要考虑设备的选型和电磁兼容性设计等多个方面。对此，工作人员需要通过系统的分析和精细的设计，才能建立一套有效的防雷体系。虽然这需要投入一定的时间和资源，但是考虑到防雷措施可以极大地提高设备的运行稳定性和使用寿命，从而减少设备维护和更换的成本，提高生产效率，这些投入都是非常值得的。

参考文献：

[1]陈苏东.天然气场站自动控制系统防雷接地技术研究[J].石油和化工设备,2022,25(1):58-59,57.

[2]徐珑.加强天然气输气站防雷安全的技术措施[J].中国化工贸易,2022(25):181-183.

[3]梅争鸿.关于天然气输送站场计量设备防雷的分析与探讨[J].石油石化物资采购,2022(9):138-140.