化工企業(yè)儀表的防雷技術(shù)

孫華營

(魯西集團(tuán)園區(qū)管理集團(tuán)，山東 聊城 252211)

隨著化工生產(chǎn)裝置規(guī)模的大型化，裝置在出現(xiàn)異常時(shí)對生命、財(cái)產(chǎn)和社會環(huán)境造成的危害越來越大。其中，針對自然界雷電對化工生產(chǎn)裝置中儀表部分的干擾和危害的記載也越來越多。雷電是云內(nèi)、云與云之間或云與大地之間的放電現(xiàn)象[1]。在夏季由于太陽輻射的作用，靠近地面的空氣因溫度升高、密度下降而上升，在上升過程中水汽不斷冷卻凝結(jié)成小水滴或冰晶粒子，形成云團(tuán)；而上層空氣密度相對較大，產(chǎn)生下降運(yùn)動，云層的上、下運(yùn)動形成對流。在對流過程中，云中的小水滴和冰晶粒子，吸附空氣中分別帶有正電荷和負(fù)電荷的游離的正、離子(一般是上層云帶正電荷，下層云帶負(fù)電荷)，上、下云層間就產(chǎn)生了電位差。當(dāng)電位差達(dá)到一定程度，空氣被擊穿發(fā)生猛烈的放電現(xiàn)象，在放電過程中產(chǎn)生很大的雷電流，雷電流將空氣擊穿，形成一個放電通道(即閃電現(xiàn)象)，在放電通道中空氣因突然受熱，體積迅速膨脹形成爆炸性沖擊波(即雷聲)。文獻(xiàn)[2～6]就油罐區(qū)、天然氣管線、電子系統(tǒng)及雷達(dá)液位計(jì)等具體情況，介紹了相應(yīng)的防雷措施。

如何確?；どa(chǎn)裝置在雷雨季節(jié)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，成為生產(chǎn)管理的重點(diǎn)，而儀表的防雷管理又是重中之重。為此，筆者匯總了化工生產(chǎn)裝置中儀表的防雷知識和防雷方法，并給出不具備基本防雷條件企業(yè)的整改方法。

1 雷電的危害①

云內(nèi)和云與云之間的放電因其不能到達(dá)地面，一般不會造成危害；有危害的主要是云與大地間的放電(圖1)，當(dāng)云與大地放電時(shí)，雷電流，造成的危害就是雷擊災(zāi)害。在雷電流泄放通道周圍就會產(chǎn)生電磁感應(yīng)，距離放電通道較近的金屬部件、電子元件和電氣裝置，受到電磁脈沖的干擾而毀壞。雷電對于儀表的危害主要是通過雷擊電磁脈沖造成的。

圖1 云與大地間放電的危害分析示意圖

2 雷電對儀表造成危害的途徑

2.1 靜電感應(yīng)

當(dāng)帶電的云層出現(xiàn)時(shí)，在云層下的地面、建筑物和金屬導(dǎo)線表面由于靜電感應(yīng)的作用會感應(yīng)出與云層下端電荷相反的電荷，由于從云層出現(xiàn)到發(fā)生雷擊所需要的時(shí)間較長，所以在地面、建筑物和金屬導(dǎo)線表面會感應(yīng)出大量的電荷，如圖2所示。

圖2 地面、建筑物和金屬導(dǎo)線表面感應(yīng)電荷示意圖

當(dāng)云層對地放電時(shí)會與地面的電荷迅速中和，但在某些部分，如接地電阻較大的金屬導(dǎo)線上感應(yīng)出的電荷，因?yàn)榕c大地間的電阻較大，不能在同樣短的時(shí)間內(nèi)消失，這些失去束縛來不及迅速流散的電荷就會在金屬導(dǎo)線上形成過電壓，此過電壓可達(dá)幾千甚至幾萬伏。

2.2 電磁感應(yīng)

當(dāng)云層放電時(shí)，在放電空間內(nèi)存在著強(qiáng)大的電磁場，在該電磁場作用下的金屬線會感應(yīng)出數(shù)以千伏的過電壓。如果金屬線纜之間形成了一個回路，該回路內(nèi)又有一定的空氣間隙，那么這個過電壓會在間隙處發(fā)生火花放電將儀表設(shè)備擊壞；如果回路沒有間隙，金屬線纜之間就會形成一個閉合回路，那么在這個閉合回路中就會形成過電流，這個過電流會使回路中的電阻器件發(fā)熱而燒壞，從而導(dǎo)致儀表設(shè)備故障(圖3)。

圖3 電磁感應(yīng)危害分析簡圖

2.3 雷電反擊

當(dāng)建筑物或金屬設(shè)備遭雷直擊時(shí)，在建筑物引下線內(nèi)或金屬設(shè)備內(nèi)會流過很大的電流，這個大電流在流入接地裝置時(shí)，會使地電位相對于遠(yuǎn)遠(yuǎn)的地上升幾萬甚至幾十萬伏的電壓，導(dǎo)致現(xiàn)場儀表的外殼與儀表線間產(chǎn)生幾萬甚至幾十萬伏的電壓，從而損壞現(xiàn)場儀表。

2.4 電磁輻射

當(dāng)雷電放電發(fā)生在遠(yuǎn)處時(shí)，雷電放電產(chǎn)生的射頻電磁場通過空間傳播，將會在儀表線路上感應(yīng)出過電壓，這個過電壓沿儀表線路傳遞到二次儀表或DCS系統(tǒng)，將會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)失真或者聯(lián)鎖保護(hù)裝置動作。電磁輻射一般不會造成儀表設(shè)備損壞。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，DCS系統(tǒng)的機(jī)柜外殼具有良好的防電磁輻射作用，所以雷雨季節(jié)DCS機(jī)柜的門必須關(guān)閉。

2.5 直接雷擊

直接雷擊(圖4)是指安裝在高處的儀表，被直接雷擊中而形成雷電流釋放通道的現(xiàn)象，由于絕大多數(shù)儀表設(shè)備安裝在建筑物或設(shè)備防雷保護(hù)設(shè)施的保護(hù)范圍之內(nèi)，所以儀表設(shè)備遭受直接雷擊的現(xiàn)象很少發(fā)生。

圖4 直接雷擊示意圖

3 減少雷電損失的方法

減少雷電損失的方法主要是根據(jù)雷電對儀表造成危害的途徑采取有針對性的措施。

3.1 靜電感應(yīng)

防靜電感應(yīng)的措施是儀表電纜屏蔽層單端接地。原理是當(dāng)云層對地放電與地面的電荷迅速中和時(shí)，儀表電纜中屏蔽層上感應(yīng)出的電荷迅速通過接地極釋放，從而杜絕靜電感應(yīng)形成過電壓。儀表線的屏蔽層不采用兩點(diǎn)接地的原因是：現(xiàn)場儀表和二次儀表或者機(jī)柜室一般相距較遠(yuǎn)，現(xiàn)場儀表的地和二次儀表或機(jī)柜地的電位很難做到完全相等，此時(shí)如果儀表線屏蔽層采用兩點(diǎn)接地，兩個接地點(diǎn)電位不同就會在屏蔽層中形成電流，而這個電流會對儀表線中的信號造成干擾，所以儀表線屏蔽層一般采用單點(diǎn)接地。

在化工企業(yè)中，儀表電纜的屏蔽層一般都進(jìn)行了單點(diǎn)接地，但在實(shí)際運(yùn)行中也存在著屏蔽層單點(diǎn)接地不好，甚至不接地的現(xiàn)象。2013年7、8月份，某化工企業(yè)出現(xiàn)儀表雷擊事故，事后現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)：出現(xiàn)雷擊事故的儀表大部分存在接地電阻偏大的現(xiàn)象，個別儀表線的屏蔽層甚至沒有接地。

所以要想防止靜電感應(yīng)，必須做好儀表線屏蔽層的單點(diǎn)接地工作，接地電阻要盡可能得小(一般不大于4Ω)，屏蔽層沒有接地的儀表線路禁止接線和投入使用。已經(jīng)投入運(yùn)行的裝置，每年春節(jié)時(shí)要對儀表線的單點(diǎn)接地進(jìn)行一次徹底排查。

3.2 電磁感應(yīng)

防止電磁感應(yīng)的措施是屏蔽層兩端接地。原理是使屏蔽層和大地形成回路，當(dāng)空間中存在著強(qiáng)度較大的電磁場時(shí)，在屏蔽層和大地間構(gòu)成的回路中形成感應(yīng)電流，從而杜絕了在儀表線路中形成感應(yīng)電流。

防靜電感應(yīng)要求儀表電纜屏蔽層單點(diǎn)接地，防電磁感應(yīng)又要求儀表電纜屏蔽層兩點(diǎn)接地，那么儀表電纜到底采用哪一種接地方式呢？在實(shí)際工作中，儀表電纜都采用屏蔽層的單點(diǎn)接地，而儀表電纜的兩點(diǎn)接地通過外層屏蔽的兩點(diǎn)接地實(shí)現(xiàn)。儀表電纜的外層屏蔽一般通過3種方式實(shí)現(xiàn)：一是儀表電纜采用地埋方式，即將大地作為外層屏蔽，這樣既解決了雙層屏蔽，又解決了兩點(diǎn)接地，但在實(shí)際工況中，因地埋電纜容易受到損傷，所以很少采用這種方式；二是使用雙層屏蔽儀表電纜，兩層屏蔽層間用絕緣材料隔開，內(nèi)層屏蔽進(jìn)行單點(diǎn)接地，外層屏蔽采用兩點(diǎn)接地，這種方式的缺點(diǎn)是兩個屏蔽層在線路的兩端很容易連在一起，從而失去屏蔽作用，所以目前雙層屏蔽主要用在多芯電纜中，即多芯電纜中的每一儀表電纜外層有一層屏蔽層，多芯電纜外層屏蔽作為總屏蔽；三是使用金屬電纜橋架，金屬橋架至現(xiàn)場儀表側(cè)穿金屬管，這種方式因材料易購，便于施工，是目前化工企業(yè)儀表防電磁干擾的主要措施。

3.3 雷電反擊

防雷電反擊的措施就是共用接地網(wǎng)。其原理是：當(dāng)建筑物或金屬設(shè)備遭直擊雷時(shí)，在建筑物引下線內(nèi)或金屬設(shè)備內(nèi)會流過很大的電流，這個大電流在流入接地裝置時(shí)，會使地電位上升，因共用接地網(wǎng)，遠(yuǎn)端的地電位也隨之上升，現(xiàn)場儀表的外殼對儀表線間電壓保持不變，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)現(xiàn)場儀表的作用。

目前，很多化工企業(yè)的二次儀表或DCS系統(tǒng)的地和建筑物或設(shè)備的地并沒有連接成網(wǎng)，而是單獨(dú)接地，這種接地方式下一旦高處的設(shè)備或建筑物遭受雷擊，很容易造成現(xiàn)場儀表的損壞。

3.4 直接雷擊

防直擊雷的主要措施就是使現(xiàn)場儀表在避雷針或者建筑物的防雷保護(hù)區(qū)域內(nèi)，化工企業(yè)中由于大部分現(xiàn)場儀表都在避雷針或者建筑物的防雷保護(hù)區(qū)域內(nèi)，所以一般不考慮防直擊雷措施，只有安裝在防雷設(shè)施保護(hù)外的儀表才考慮防直擊雷。

3.5 機(jī)柜室防雷

機(jī)柜室的防雷對于很多儀表從業(yè)人員來說比較陌生，以大家的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)柜室的防雷主要是防直接雷，也就是機(jī)柜室建筑物必須做好防直接雷設(shè)施。實(shí)際上，機(jī)柜室的防雷設(shè)施主要用于防靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)和雷電反擊，首先必須以機(jī)柜室建筑物中的鋼筋混凝土組成的格柵進(jìn)行屏蔽，機(jī)柜室不設(shè)窗戶，禁止設(shè)立直接開向建筑物外的門，即機(jī)柜室的門必須開向控制室或建筑物內(nèi)的其他房間或走廊。

3.6 其他防雷措施

除了上述防雷措施外，浪涌保護(hù)器也是儀表的重要防雷措施之一。浪涌保護(hù)器能夠保護(hù)線間和線對地間的過電壓，釋放電涌電流，既能預(yù)防靜電感應(yīng)又能消除電磁感應(yīng)還能防止雷電反擊。浪涌保護(hù)器的工作原理如圖5所示[7]。但由于浪涌保護(hù)器一般成對使用，即在現(xiàn)場儀表側(cè)和二次儀表或DCS接線端子側(cè)，都需要安裝浪涌保護(hù)器，投資較大，所以使用并不廣泛。經(jīng)驗(yàn)表明，只要做好上述5條防雷措施，雷擊時(shí)出現(xiàn)儀表故障的概率就會很低，只有在經(jīng)常出現(xiàn)雷擊事故并且其他的措施都已實(shí)施的情況下才考慮使用浪涌保護(hù)器。

圖5 浪涌保護(hù)器工作原理

4 防雷措施不完善的企業(yè)整改方法

儀表防雷業(yè)內(nèi)的觀點(diǎn)是：防雷設(shè)施最好在項(xiàng)目設(shè)計(jì)和建設(shè)期間完成，這樣投資最少，效果也最好，后期的整改會耗費(fèi)大量的人力和物力，并且效果也不理想。已建成的部分化工裝置防雷措施不完善，主要表現(xiàn)在四個方面。

4.1 防靜電感應(yīng)設(shè)施不完善

儀表線路屏蔽層單點(diǎn)接地電阻偏大，部分后增加的儀表線路屏蔽層并未進(jìn)行單點(diǎn)接地，現(xiàn)場儀表側(cè)屏蔽層外露或者屏蔽層接觸儀表外殼。

整改措施：對接地電阻偏大的屏蔽層進(jìn)行整改處理，屏蔽層沒有單點(diǎn)接地的儀表線路禁止使用，對現(xiàn)場儀表側(cè)的儀表線路屏蔽層進(jìn)行絕緣處理，而且屏蔽層必須穿入儀表外殼內(nèi)，儀表系統(tǒng)中禁止使用沒有屏蔽層的線路。

已建成的化工裝置一般都有防靜電感應(yīng)措施，需要做的工作就是對防靜電感應(yīng)設(shè)施進(jìn)行檢查和整改，確保措施有效。

4.2 防電磁感應(yīng)設(shè)施不完善

沒有雙層屏蔽設(shè)施或者雙層屏蔽設(shè)施不完善。部分化工裝置采用的儀表電纜橋架為玻璃鋼橋架，橋架至現(xiàn)場儀表沒有穿金屬管，或者金屬橋架、現(xiàn)場儀表接地不好?？傊?，從二次儀表或控制系統(tǒng)到現(xiàn)場儀表的儀表線路沒有在雙層屏蔽的保護(hù)之下。這些裝置如果不整改，雷雨季節(jié)很難保證儀表系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

整改措施：更換金屬電纜橋架并重新穿金屬管等，但該工作做起來很難，因?yàn)檠b置停車檢修時(shí)間短，大部分工作需開車期間進(jìn)行，工作量很大。

4.3 防雷電反擊設(shè)施不完善

在SH/T 3164-2012《石油化工儀表系統(tǒng)防雷工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]頒布之前，大部分控制系統(tǒng)都是用獨(dú)立的接地極，同時(shí)很多化工裝置的接地設(shè)施沒有連接成網(wǎng)，也就是生產(chǎn)裝置區(qū)內(nèi)的各建筑物和設(shè)備都進(jìn)行了接地處理，但是這些建筑物和設(shè)備的接地網(wǎng)沒有連接成一個整網(wǎng)。

共用接地網(wǎng)的整改對于已建成裝置來說也很困難，因?yàn)榇蟛糠盅b置界區(qū)內(nèi)地面都已硬化處理，找出建筑物和設(shè)備的接地網(wǎng)，并將其連接成一個整網(wǎng)，將是一項(xiàng)很困難的工作。

4.4 機(jī)柜室防雷設(shè)施的整改

已建成化工裝置的控制室大部分防雷設(shè)施不完善，主要存在的問題是：DCS系統(tǒng)的接地和建筑物防雷接地分開設(shè)置，容易造成雷電反擊；機(jī)柜室窗戶過多或機(jī)柜室門開向室外，室內(nèi)設(shè)備容易受電磁輻射的影響。

整改措施：找出DCS系統(tǒng)的接地和建筑物防雷接地，并將二者連接成一個整體，封堵機(jī)柜室窗戶和開向室外的門并將門開向操作室或建筑物內(nèi)的其他房間或走廊。

5 結(jié)束語

化工企業(yè)儀表的防雷工作是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，做好儀表防雷工作，首先要在項(xiàng)目設(shè)計(jì)和建設(shè)兩個階段按要求設(shè)計(jì)和安裝儀表防雷設(shè)施，同時(shí)在裝置運(yùn)行期間做好儀表防雷設(shè)施的維護(hù)和維修，只有這樣才能確?；ぱb置在雷雨季節(jié)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。