儀表及控制系統(tǒng)防雷工程設(shè)計

葉向東

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

中國是雷電多發(fā)國家，石油化工工廠儀表及控制系統(tǒng)(以下簡稱儀表系統(tǒng))的雷擊事故是流程工業(yè)工廠的重大自然災(zāi)害之一。雷電頻繁發(fā)生區(qū)域的石油化工工廠幾乎每年都受到雷擊的影響，每年都有雷電造成儀表系統(tǒng)的損壞，導(dǎo)致裝置停工、停產(chǎn)的事件。每次因雷擊造成儀表系統(tǒng)損壞的直接經(jīng)濟損失就達幾萬到幾十萬元，造成停產(chǎn)或減產(chǎn)維修的經(jīng)濟損失多達數(shù)百萬元，有的雷擊甚至造成人員傷害。

儀表系統(tǒng)的電子化、集成化、計算機化和網(wǎng)絡(luò)化增加了對雷電的敏感性和易損性，使雷電侵入的影響增大。不但南方地區(qū)、沿海、沿江、山地等嚴重雷電危害區(qū)域的工廠的儀表系統(tǒng)經(jīng)常因雷電襲擊而損壞，就連北方雷暴日較少的一些地區(qū)的工廠也時常發(fā)生雷電損毀儀表系統(tǒng)的事件。儀表及控制系統(tǒng)的雷電防護工程(以下簡稱儀表防雷工程)是石油化工工廠重要的防災(zāi)減災(zāi)工程。

1 雷電對儀表系統(tǒng)的危害

雷電對儀表系統(tǒng)的損壞有兩種途徑： 直擊雷電流和電磁感應(yīng)電流。

直擊雷是直接擊中建筑物、大地、設(shè)施或設(shè)備等實際物體的雷電。對儀表系統(tǒng)就是直接擊中儀表本體或信號線路的雷電。中等強度的直擊雷電流約為10～80 kA。

電磁感應(yīng)電流是線路附近區(qū)域的直擊雷電流的電磁感應(yīng)在線路上產(chǎn)生的沖擊電流，也稱為雷電電涌。電涌電流強度根據(jù)實際情況而異，約為幾十到幾百安培。線路上的直擊雷電流或雷電電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電涌會沿線路向兩端流動，損壞測量儀表和信號接收儀表。

工廠建(構(gòu))筑物的雷電防護雖然能防止建筑物內(nèi)和設(shè)備及框架下的儀表遭受直擊雷，但不能阻擋雷電電磁感應(yīng)在儀表內(nèi)部和線路上產(chǎn)生的電涌。另外，建筑物雷電防護范圍之外區(qū)域的儀表及線路仍然受到直擊雷的威脅。

2 儀表防雷工程的確定

由于雷擊和雷電的發(fā)生是小概率隨機事件，其物理量是不可測量的，所以不能準確、清晰地定量確定，只能采用評估的方法。

2.1 定量評估方法

常采用的雷電損壞經(jīng)濟風(fēng)險評估的方法有兩種： 當(dāng)不設(shè)置雷電防護工程時，雷擊事件造成儀表系統(tǒng)損壞導(dǎo)致裝置生產(chǎn)的綜合經(jīng)濟損失大于防雷工程投資價值時，應(yīng)實施儀表防雷工程；雷擊事件造成裝置生產(chǎn)的綜合經(jīng)濟損失大于可容忍經(jīng)濟損失或預(yù)計風(fēng)險大于可容忍風(fēng)險時，應(yīng)實施儀表防雷工程，使預(yù)計風(fēng)險小于可容忍風(fēng)險。

定量評估方法比較復(fù)雜，工程上難以操作。由于雷擊事件是不確定的概率事件，所有的定量評估方法都有不確定性。不同的標準規(guī)范有不同的評估方法，各自采用了不同的簡化方法?；痉椒ㄖ皇歉鶕?jù)雷電活動程度和被保護系統(tǒng)的重要程度確定雷電防護等級，按雷電防護等級確定實施防雷工程。

石油化工儀表系統(tǒng)雷電防護等級的確定方法： 控制系統(tǒng)中任1臺控制器或任1組I/O模件損壞可能造成裝置生產(chǎn)事故的可能綜合經(jīng)濟損失與被保護系統(tǒng)的重要程度參考分類見表1所列。

表1 被保護系統(tǒng)的重要程度參考分類

雷電防護等級可根據(jù)表2中被保護系統(tǒng)的重要程度分類和年平均雷暴日確定。

表2 綜合評估法雷電防護等級

裝置所在地區(qū)的年平均雷暴日數(shù)值可查詢當(dāng)?shù)貧庀蟛块T的資料，但年平均雷暴日并不能反映不同季節(jié)不同時期的雷擊次數(shù)，也不能反映區(qū)域雷擊密度和雷電強度，也就不可能準確地預(yù)測或評估雷電活動程度。期待將來氣象部門能夠記錄并提供更有意義的雷電活動數(shù)據(jù)。

一級防護等級應(yīng)當(dāng)實施儀表防雷工程，二級防護等級也適宜實施儀表防雷工程。

在中心控制室及裝置制高點附近可以設(shè)置雷電測定裝置和雷電預(yù)測裝置，積累廠區(qū)雷電活動資料。

2.2 定性評估方法

儀表防雷工程可根據(jù)下列情況之一確定，只要有一種條件成立，即應(yīng)實施儀表防雷工程。

1)發(fā)生過危及安全生產(chǎn)的雷擊損害事件的工廠區(qū)域。

2)根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》設(shè)置了雷電防護的建筑物，內(nèi)部裝有電子設(shè)備的，特別是連接室外信號線路的。

3)當(dāng)建設(shè)區(qū)域曾經(jīng)出現(xiàn)單日雷擊次數(shù)大于N次/d或150 kA以上雷電流強度的雷擊次數(shù)多于1次/年時；雷擊次數(shù)及雷電流強度可根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T資料或自行測定結(jié)果確定。

4)投資方、保險方或主管責(zé)任方可以根據(jù)主觀意愿確定是否實施儀表防雷工程(自行承擔(dān)風(fēng)險、損失和責(zé)任)。這也是符合IEC標準提到的防災(zāi)減災(zāi)原則之一的。

3 儀表系統(tǒng)防雷基本原理和方法

3.1 基本原理

儀表防雷的基本原理是限流、限壓、限能。設(shè)法將雷電流在到達儀表之前就大部分泄放入地，并將殘余雷電流產(chǎn)生的電壓限制在小于儀表能夠承受的范圍內(nèi)，使儀表不受雷電損害。由于雷電持續(xù)時間較短，殘余的雷電流不會對信號造成有效干擾。

3.2 設(shè)計原則

儀表防雷工程的設(shè)計應(yīng)根據(jù)防護目標的具體情況，確定合適的防護范圍，采用綜合的防護方法，保護儀表系統(tǒng)不受雷擊損害，降低雷擊事件的風(fēng)險，符合防災(zāi)減災(zāi)的投資條件，經(jīng)濟有效地防護和減少儀表系統(tǒng)雷擊事故造成的生產(chǎn)和經(jīng)濟損失。

3.3 工程方法

儀表防雷工程方法有： 儀表系統(tǒng)接地，設(shè)置電涌防護器，信號電纜的屏蔽，儀表設(shè)備的屏蔽。儀表防雷工程采取的每一種方法都是有效的，但都不能代替其他方法，若想得到良好的防護效果，就需要采取全部方法，不可片面地忽略某一種或幾種方法。

SH/T 3164—2012《石油化工儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計規(guī)范》根據(jù)石油化工儀表系統(tǒng)和工程建設(shè)的特點，制定了行之有效的儀表防雷工程方法，簡化了一些不確定的概念和難以實施的方法。例如： 沒有用到雷電防護區(qū)的概念和某些不切實際的防雷方法。

3.4 儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計規(guī)范

GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》是重要的參考規(guī)范，但該規(guī)范沒有規(guī)定石油化工儀表系統(tǒng)相應(yīng)的防雷工程方法。GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》主要規(guī)定了電信系統(tǒng)等的防雷技術(shù)，沒有規(guī)定儀表系統(tǒng)以及爆炸危險環(huán)境儀表的防雷工程方法。

《石油化工儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計規(guī)范》是在雷電防護的理論基礎(chǔ)上，根據(jù)近20年來石油化工工廠儀表及控制系統(tǒng)，特別是大規(guī)模儀表系統(tǒng)防雷工程的實施、實踐和行之有效的方法進行編制及修訂，以期指導(dǎo)工程設(shè)計和建設(shè)，預(yù)防、減少和消除雷擊事故和損失。該規(guī)范以簡明、實用為宗旨，明確基本概念，編制了易于遵循的工程設(shè)計規(guī)定，注重操作、實施和執(zhí)行，規(guī)定了通用的、可行的工程方法，適用于石油化工企業(yè)的儀表系統(tǒng)的防雷工程，填補了目前國內(nèi)其他防雷規(guī)范沒有涉及的范圍和沒有解決的問題。

4 儀表防雷工程接地系統(tǒng)

4.1 控制室儀表接地結(jié)構(gòu)

4.1.1網(wǎng)型結(jié)構(gòu)

良好有效的接地系統(tǒng)是泄放雷電流的基礎(chǔ)條件。控制室儀表防雷接地系統(tǒng)應(yīng)采用網(wǎng)型結(jié)構(gòu)的接地系統(tǒng)，適用于各類裝有單體儀表或儀表系統(tǒng)設(shè)備的房間或建筑物。

控制室的保護接地、工作接地、本質(zhì)安全接地、屏蔽接地、防靜電接地、電涌防護器接地等儀表系統(tǒng)接地均應(yīng)就近接到網(wǎng)型結(jié)構(gòu)接地系統(tǒng)。網(wǎng)型結(jié)構(gòu)避免了接地結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和不確定性，徹底解決了接地系統(tǒng)的雷電流泄放、地電位差、接地線過長、地線感抗、地電流干擾和多功能接地功效的問題，并且使施工簡便易行。

網(wǎng)型結(jié)構(gòu)采用多根接地排連接成網(wǎng)格的形式。接地排根據(jù)室內(nèi)儀表機柜的排列在機柜下方成行設(shè)置，兩排及以上機柜的接地排在兩端及中間連接形成網(wǎng)格。網(wǎng)格行、列間距不大于5 m。對于單排設(shè)備，可簡化為單根接地排。典型的網(wǎng)型結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 網(wǎng)型結(jié)構(gòu)原理示意

儀表系統(tǒng)的網(wǎng)型結(jié)構(gòu)接地排與室外電氣接地裝置形成等電位接地網(wǎng)，也就是把接地網(wǎng)引到了室內(nèi)。

4.1.2網(wǎng)型結(jié)構(gòu)接地排

網(wǎng)型結(jié)構(gòu)的接地排采用截面積不小于40 mm×4 mm(寬×厚)的銅材或熱鍍鋅扁鋼焊接制作，安裝在機柜底部支撐或支架上，可采用絕緣安裝，也可采用非絕緣安裝，安裝高度應(yīng)不妨礙儀表電纜的敷設(shè)、便于各接地線的連接施工。同一房間的網(wǎng)型接地排應(yīng)延伸到室內(nèi)所有的機柜下方，不得采用導(dǎo)線連接的多段式或串聯(lián)鏈接式接地排。

網(wǎng)型結(jié)構(gòu)的室內(nèi)接地網(wǎng)采用至少4根截面積不小于40 mm×4 mm(寬×厚)的銅材或熱鍍鋅扁鋼接地連接導(dǎo)體經(jīng)不同路徑、不同方向(四角或四邊)的連接方式分別接到電氣接地裝置引到室內(nèi)的接地裝置連接板。單邊長度大于30 m的室內(nèi)接地網(wǎng)應(yīng)增加接到電氣接地裝置的接地路徑和接地裝置連接板，并盡可能均勻分布。網(wǎng)型結(jié)構(gòu)接地排的這些設(shè)置形成了雷電電涌泄放的良好條件和等電位接地網(wǎng)，適用于儀表系統(tǒng)所有種類的共用接地。

由電氣專業(yè)在控制室內(nèi)的適當(dāng)位置設(shè)置與電氣室外接地裝置相連接的室內(nèi)接地連接板。

同一房間的網(wǎng)型接地排應(yīng)為一個網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，不同房間的網(wǎng)型接地排可合并為一個網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，也可分為兩個網(wǎng)型結(jié)構(gòu)。

儀表交流電源配電采用TN-S系統(tǒng)的接地方式，來自供配電系統(tǒng)的地線(PE線)在儀表配電柜處接到網(wǎng)型接地排。

4.2 控制室儀表接地

4.2.1儀表機柜及操作臺

機柜內(nèi)的工作接地和保護接地應(yīng)按照圖2機柜與圖1所示網(wǎng)型結(jié)構(gòu)接地方式就近接到下方的網(wǎng)型接地排，不再區(qū)分工作接地和保護接地。

圖2 機柜與網(wǎng)型結(jié)構(gòu)接地示意

機柜內(nèi)的電涌防護器接地導(dǎo)軌直接接到機柜下方的網(wǎng)型接地排或在機柜內(nèi)就近接到保護接地匯流條；電涌防護器接地導(dǎo)軌與機柜可不采用絕緣安裝。機柜的柜體應(yīng)連接到機柜內(nèi)的保護接地匯流條。

沿著控制室操作臺下方或電纜溝里敷設(shè)截面積不小于40 mm×4 mm(寬×厚)的銅材或熱鍍鋅扁鋼作為接地排，操作臺接地按照圖3所示，就近接到下方的接地排。

圖3 操作臺接地示意

每臺需要接地的儀表、設(shè)備、機柜、儀表盤、操作臺、機架等均采用單獨的接地線接到接地排，不應(yīng)采用任何形式的串聯(lián)鏈接的連接方式?？刂剖覂?nèi)所有安裝儀表的金屬結(jié)構(gòu)、支架、框架，以及金屬活動地板等均應(yīng)連接到網(wǎng)型接地排。

4.2.2接地連接導(dǎo)體及導(dǎo)線

雷電流是高頻強功率脈沖，接地連接的好壞直接影響雷電流泄放效果。由于線路的感抗對雷電流泄放的影響比線路電阻大得多，并且不能用增加導(dǎo)體截面積的方法有效地減少感抗的影響，所以接地導(dǎo)線的長度應(yīng)盡可能短、盡可能直線敷設(shè)。

網(wǎng)型接地排的延伸和連接、接地排之間、接地排與連接導(dǎo)體之間、接地排與室內(nèi)電氣接地端子的連接采用截面積不小于40 mm×4 mm(寬×厚)的銅材或熱鍍鋅扁鋼作為連接導(dǎo)體，并采用直接焊接。這兩種型材作為接地連接導(dǎo)體在石油化工工程中是實用價廉、簡單易得、便于施工的材料，有足夠的強度、截面積和電導(dǎo)率。

SH/T 3164—2012規(guī)定接地連接線采用絕緣多股銅芯導(dǎo)線，截面積有以下幾種：

1)單臺儀表及現(xiàn)場儀表的接地導(dǎo)線： 1.5～2.5 mm2。

2)機柜內(nèi)匯流導(dǎo)軌或匯流條之間的連接導(dǎo)線： 2.5～6.0 mm2。

3)機柜與網(wǎng)型接地排之間的連接導(dǎo)線： 6.0～16.0 mm2。

所有接地線的外表面顏色應(yīng)為黃綠色相間或綠色。

4.2.3接地連接方法

接地連接導(dǎo)線采用機械連接方法，采用銅或鍍錫銅連接片實現(xiàn)可靠、良好的壓接，并采用帶有防松墊片的鍍鋅鋼螺栓壓接固定。同一壓接點的壓接導(dǎo)線不得多于2根。

接地連接導(dǎo)體之間的連接、接地連接導(dǎo)體與接地排的連接采用至少三邊焊接的方式，焊縫總長度大于160 mm，焊接部位做防腐處理；不得采用導(dǎo)線及接線片壓接的方式。

4.2.4電纜敷設(shè)路徑

為減少導(dǎo)線感抗的影響，接地導(dǎo)線應(yīng)盡可能短，并采用直線路徑敷設(shè)。不得保留多余導(dǎo)線或?qū)?dǎo)線盤成環(huán)狀。

為了減少強電流的影響，儀表信號電纜路徑與建筑物防雷引下線、大電流、高電壓電氣設(shè)備線路交叉敷設(shè)或平行敷設(shè)的間距限制見表3所列。

表3 信號電纜路徑與防雷引下線等的敷設(shè)間距 m

4.2.5接地標志

控制室內(nèi)的各類接地導(dǎo)線、接地連接導(dǎo)體、接地排等的施工要易于檢查和維護，并設(shè)置明顯標志。通向室外接地裝置的連接點或與電氣接地的連接點應(yīng)設(shè)置明顯的標志。

5 電涌防護器的類型和參數(shù)

5.1 電涌防護器的作用

電涌防護器是由非線性開關(guān)效應(yīng)的電流泄放和電壓限制器件所組成，是貼近被保護儀表的最有效的電涌防護設(shè)備。儀表防雷工程均應(yīng)設(shè)置電涌防護器，不應(yīng)以其他防雷方法代替電涌防護器。

雷擊試驗證明設(shè)置電涌防護器是保護儀表不受雷電電涌的沖擊，減少儀表損壞和相關(guān)損失的有效措施，是其他防雷措施不能代替的，是防雷工程的重要組成部分。其他防雷工程措施能減輕雷電電涌強度，但不能實現(xiàn)最終的防護，而電涌防護器的設(shè)置也需要接地系統(tǒng)和正確連接來配合工作。

電涌防護器采用免維護型?？刹捎脦ПO(jiān)測功能的電涌防護器并配置相應(yīng)的集中監(jiān)測設(shè)備。電涌防護器不應(yīng)影響和改變儀表系統(tǒng)的特性，應(yīng)按產(chǎn)品批次檢驗參數(shù)和性能，并應(yīng)具有檢驗合格證。

5.2 類 型

電涌防護器按用途分類，常用的有： 信號儀表類、網(wǎng)絡(luò)通信儀表類、直流電源類、交流電源類等。電涌防護器的選型應(yīng)根據(jù)防護目的、信號類型、安裝地點、安裝方式確定。

標稱供電電壓為24 V(DC)的兩線制、三線制、四線制的4～20 mA信號儀表或其他信號類型的儀表，以及為單個儀表供電的24 V(DC)直流電路應(yīng)按信號儀表類配備電涌防護器；直流供電的四線制儀表因供電電流較小，視為兩組信號通道，可采用雙通道電涌防護器。其余儀表信號不得采用多信號通道的電涌防護器。

直流電源裝置屬于直流電源類，應(yīng)按直流電源類配備電涌防護器；交流供電四線制儀表的交流供電應(yīng)按交流電源類配備電涌防護器。儀表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的電涌防護器應(yīng)按通信線路類配備，規(guī)格及各項參數(shù)應(yīng)適用于所連接的通信設(shè)備。通信線路是指儀表系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)、串行接口等的通信信號線路。

5.3 安裝形式

電涌防護器有通用式、裝配式和集成式。

通用式電涌防護器是非防爆結(jié)構(gòu)、安裝在環(huán)境條件較好場所的電涌防護器，通常用于室內(nèi)安裝；裝配式電涌防護器是可以直接安裝在儀表本體上、不改變儀表防護結(jié)構(gòu)和防爆結(jié)構(gòu)的可以拆卸的電涌防護器；集成式電涌防護器是集成在儀表內(nèi)部的電涌防護器。由于各儀表制造商設(shè)置的集成式電涌防護器性能和規(guī)格參差不齊，時有影響防雷效能的事件，因此，當(dāng)現(xiàn)場儀表不能安裝裝配式電涌防護器時，才采用集成式電涌防護器，并應(yīng)注意其技術(shù)規(guī)格。

5.4 信號線路電涌防護器的參數(shù)

規(guī)范規(guī)定的電涌防護器參數(shù)均為留有余量的參數(shù)，試驗和實踐證明充分有效。所謂高于規(guī)范規(guī)定參數(shù)的電涌防護器均視為符合規(guī)定，不意味著性能更優(yōu)異。

規(guī)范規(guī)定的電涌防護器的參數(shù)有： 最大持續(xù)運行電壓Uc、額定工作電流IN、標稱放電電流In、電壓保護水平Up、最大漏電流Ic、響應(yīng)時間、工作頻率等。

5.5 儀表電涌防護器設(shè)置

5.5.1設(shè)置原則

電涌防護器的設(shè)置應(yīng)當(dāng)考慮綜合經(jīng)濟損失。例如： 單臺現(xiàn)場測量信號儀表損壞所造成的直接經(jīng)濟損失小于電涌防護器價值的，現(xiàn)場測量儀表端可不設(shè)置電涌防護器；控制室儀表或信號處理儀表損壞所造成的裝置綜合經(jīng)濟損失小于萬元的(非定量數(shù)值)，現(xiàn)場測量儀表和控制室儀表兩端均可不設(shè)置電涌防護器。

現(xiàn)場測量儀表設(shè)置電涌防護器的信號回路，在控制室內(nèi)的儀表也應(yīng)設(shè)置電涌防護器。

儀表系統(tǒng)的雷電防護與儀表系統(tǒng)的防爆類同，不應(yīng)假定某些儀表不會受到電涌影響就不設(shè)電涌防護器，應(yīng)當(dāng)從工廠區(qū)域、裝置生產(chǎn)和儀表系統(tǒng)整體安全考慮設(shè)防。

5.5.2相關(guān)概念參考值

當(dāng)信號電纜在室外地面以上敷設(shè)的水平路徑長度大于100 m或地面上垂直高度大于10 m時，現(xiàn)場測量儀表端和控制室信號接收儀表應(yīng)設(shè)置電涌防護器。這兩個數(shù)值僅為概念參考值，并沒有數(shù)值定量意義。

5.5.3設(shè)置電涌防護器的現(xiàn)場儀表類型

符合上述設(shè)置原則和相關(guān)概念參考值的，或罐區(qū)中的下列現(xiàn)場儀表端均應(yīng)設(shè)置電涌防護器： 變送器等轉(zhuǎn)換成電信號的電動、電子測量儀表，電氣轉(zhuǎn)換器、電氣閥門定位器、電磁閥、電動執(zhí)行機構(gòu)等電信號執(zhí)行器類，熱電阻，電子開關(guān)，繼電器，網(wǎng)絡(luò)及通信設(shè)備，其他對雷電電涌敏感或承受能力差的儀表。

5.5.4不設(shè)置電涌防護器的儀表類型

不設(shè)置電涌防護器的儀表如下： 熱電偶，機械觸點開關(guān)、按鈕，光纜終端，其他能夠承受雷電電涌的儀表。

5.5.5交流供電的防雷

為儀表供電的交流配電設(shè)備的防雷設(shè)計由電氣專業(yè)按相關(guān)電氣標準和規(guī)范實施。

在需要設(shè)置交流配電設(shè)備電涌防護器的場合，按電氣專業(yè)的規(guī)范配置。工程實施時儀表專業(yè)向電氣專業(yè)提資料，由電氣專業(yè)實施。

6 控制室儀表系統(tǒng)防雷

6.1 機柜屏蔽

控制室儀表安裝于鋼板材料的機柜或金屬外殼內(nèi)，機柜的門、頂、底等活動部件采用截面積不小于2.5 mm2絕緣多股銅芯電線或其他有效的方式與機柜進行導(dǎo)電連接；機柜應(yīng)與機柜內(nèi)的保護接地匯流條相連接。

鋼板材料機柜是很好的物理防護體，同時也是電磁屏蔽體，這是分散控制系統(tǒng)、可編程序控制器等常用控制設(shè)備的優(yōu)點。由于控制室儀表采用了金屬材料的機柜、機殼等，又實施了接地，具有較好的屏蔽效果，控制室(包括機柜室)不再需要昂貴、復(fù)雜的建筑物電磁屏蔽。如果機柜室下方?jīng)]有干擾源并處于建筑物底層，機柜底部可以不封閉。

6.2 配備電涌防護器

電涌防護器是室內(nèi)儀表系統(tǒng)雷電防護不可替代的專用有效設(shè)備，不僅可以防御雷電電涌，也可以防御沿線路入侵的直擊雷電流。電涌防護器安裝在機柜內(nèi)。儀表電纜進入控制室后，先接電涌防護器，再接后續(xù)儀表系統(tǒng)。

6.3 泄放電涌電流

電涌防護器的重要作用之一是將沿線路來的大部分雷電流泄放入地，所以需要有效地接地?？刂剖覂?nèi)安裝的電涌防護器采用導(dǎo)軌安裝型，并以此安裝導(dǎo)軌作為接地匯流條。電涌防護器接地導(dǎo)軌直接或通過機柜內(nèi)的保護接地匯流條就近接到機柜下方的網(wǎng)型接地排，實現(xiàn)短距離連接。

7 現(xiàn)場儀表防雷

7.1 雷擊防護

現(xiàn)場儀表的雷擊防護采用屏蔽、接地及安裝電涌防護器的方法。常用儀表的金屬外殼并非全封閉，多為鋁質(zhì)外殼，不利于雷電防護，因此儀表應(yīng)避免安裝在設(shè)備頂端、突出位置而成為接閃物體。當(dāng)儀表的安裝位置有可能使儀表形成接閃物體又不能移位時，可將儀表裝在鋼板材質(zhì)的保護箱或防護罩內(nèi)，箱體接地。

7.2 現(xiàn)場儀表電涌防護器

現(xiàn)場儀表采用裝配式電涌防護器，對于不便采用裝配式電涌防護器的儀表也可采用內(nèi)置集成式電涌防護器。對于罐區(qū)常用的雷達液位計、伺服液位計、電動閥等儀表，可采用內(nèi)置式電涌防護器便于成套和安裝。

裝配式電涌防護器安裝在現(xiàn)場儀表的空置進線口或在進線口外配的三通接口上，這是一種較好的安裝方式。外配的三通接口采用密封螺紋安裝結(jié)構(gòu)，例如： NPT錐管螺紋。

裝配式電涌防護器的接線應(yīng)盡可能短，不應(yīng)彎曲或有多余的長度。線—地保護型、線—線加線—地保護型電涌防護器的接地連線在儀表內(nèi)部與接地端子相連接；用于線—線保護的電涌防護器一般沒有接地線，不用接地。

防爆現(xiàn)場儀表裝配電涌防護器不應(yīng)改變儀表本體的防爆結(jié)構(gòu)；安裝在儀表進線口上的隔爆型的電涌防護器應(yīng)取得中國相關(guān)認證機構(gòu)的防爆合格證。

7.3 現(xiàn)場儀表接地

現(xiàn)場儀表的金屬外殼通過接地螺釘和接地線與安裝支架相連，安裝支架、儀表保護箱、接線箱及機柜的金屬外殼就近與電氣接地設(shè)施連接或與接地的金屬體相連接。金屬設(shè)備、容器、塔器和操作平臺上的現(xiàn)場儀表利用設(shè)備和操作平臺進行等電位連接?？梢岳脙x表電纜金屬保護管作為接地連接中的某段導(dǎo)體。

位于爆炸危險場所的儀表及金屬支架等接地是為了避免雷電流在金屬間隙處引起火花。

8 電纜的屏蔽與接地

8.1 電纜的屏蔽

8.1.1屏蔽層的作用

電纜屏蔽可以減少電場和電磁場的干擾作用，對電場干擾比較有效，而對電磁場的屏蔽作用有限，特別是雷電產(chǎn)生的高頻電磁場的屏蔽作用更小。

8.1.2接地的作用和方式

電纜屏蔽層的接地是實現(xiàn)屏蔽作用的條件之一，為了避免異地之間的地電位差產(chǎn)生的電流流過屏蔽層對芯線產(chǎn)生干擾，采用屏蔽層單端接地的方式。

如果利用電纜屏蔽層減少雷電電磁感應(yīng)對電纜的影響，可以采用屏蔽層兩端接地的方式。雷電電流在電纜屏蔽層接地回路產(chǎn)生的電磁場，可以部分抵消原雷電的電磁場，減少信號線雷電電涌的強度。

解決該矛盾有兩種辦法： 第一種是在電纜的一端直接接地，在另一端通過電涌防護器或合適的電容接地。對直流和低頻電流，電容呈現(xiàn)出較高的容抗；對高頻電流，電容呈現(xiàn)出較低的容抗，形成通路。第二種辦法是采用雙層屏蔽，內(nèi)層屏蔽單端接地，外層屏蔽兩端接地。

8.2 屏蔽方式

8.2.1外層屏蔽

電纜外層屏蔽可以利用以下方式： 電纜保護鋼管、金屬電纜槽，金屬鎧裝屏蔽電纜的鎧裝層，分屏蔽加總屏蔽電纜的總屏蔽層。

石油化工工廠的儀表電纜采用穿鋼管、電纜槽盒或鎧裝的方式實現(xiàn)機械防護，也為電纜外層屏蔽提供了條件。所以，現(xiàn)場儀表的配線和室外敷設(shè)的信號電纜、通信電纜和電源電纜采用屏蔽電纜穿鋼管或封閉金屬電纜槽的方式敷設(shè)，或采用鎧裝電纜，不需要穿鋼管或封閉金屬電纜槽敷設(shè)。

儀表電纜槽采用鋼板或鋁合金板封閉結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用非金屬材料電纜槽時，可采用帶有金屬板內(nèi)襯或夾層的結(jié)構(gòu)。

保護鋼管和金屬電纜槽宜全程封閉，鋼管與儀表、鋼管之間、鋼管與電纜槽、電纜槽盒之間避免露空，并進行良好的電氣連接，否則在分斷處分別接地。

8.2.2內(nèi)層屏蔽

電纜內(nèi)層屏蔽直接利用屏蔽電纜本身的屏蔽層： 單層屏蔽電纜的屏蔽層，金屬鎧裝單層屏蔽電纜的屏蔽層，分屏蔽加總屏蔽電纜的分屏蔽層。

8.3 屏蔽層的接地

8.3.1接地方式

電纜各種屏蔽方式的接地工程實施可采用的接地方式見表4所列。

表4 屏蔽的接地方式

電纜的外屏蔽應(yīng)至少在兩端就近接到保護接地，或與接地的金屬設(shè)備、結(jié)構(gòu)、框架進行電氣連接。電纜的內(nèi)屏蔽應(yīng)在控制室一側(cè)接到保護接地或工作接地，已經(jīng)在現(xiàn)場儀表處自然接地的屏蔽層不在控制室一側(cè)重復(fù)接地。

由于屏蔽層在電纜的哪一端接地對于屏蔽效果區(qū)別不大，為便于接地工程實施，規(guī)定在控制室一側(cè)接地。屏蔽接地既不是保護接地，也不是工作接地，可以根據(jù)情況接到保護接地或工作接地，效果是一樣的。

8.3.2接續(xù)電纜的屏蔽接地

當(dāng)采用多芯電纜時，現(xiàn)場采用儀表接線箱實現(xiàn)分支電纜連接。這種多芯電纜接續(xù)分支電纜的屏蔽層可以接續(xù)，也可以分段。進出儀表接線箱的屏蔽電纜的內(nèi)外屏蔽層在接線箱和機柜處的接地方法可參見SH/T 3081—2019附錄A。

8.3.3連接方法

屏蔽層接地的連接方法本文不做敘述。

8.4 其他相關(guān)處理

8.4.1鎧裝光纜的金屬鎧裝層

鎧裝光纜的金屬鎧裝層終端采用帶有接地線的鎧裝接頭在光纜終端處接保護接地；光纜中的金屬芯和金屬保護層在終端處接保護接地并進行絕緣處理。

8.4.2備用電纜及電纜備用芯

備用電纜的屏蔽層、不帶屏蔽層的電纜備用芯宜在控制室一側(cè)接到保護接地。

屏蔽層已接地的屏蔽電纜、穿鋼管敷設(shè)或在金屬電纜槽中敷設(shè)的電纜的備用芯可不接地，應(yīng)在電纜終端處進行絕緣處理。

8.4.3電纜進入控制室

如果建筑物附近具備電纜埋地敷設(shè)條件，儀表電纜可采用穿鋼管或金屬電纜槽埋地敷設(shè)方式進入建筑物，在入口處室外的埋地長度大于15 m，并且越長越好。儀表電纜槽或保護管在進入控制室入口處應(yīng)在室外與電氣接地板連接。

9 本質(zhì)安全系統(tǒng)防雷

9.1 本質(zhì)安全系統(tǒng)的電涌防護器

9.1.1本質(zhì)安全特性

用于爆炸危險環(huán)境的本質(zhì)安全系統(tǒng)的電涌防護器應(yīng)通過中國國家測試機構(gòu)取得相關(guān)危險區(qū)域的本質(zhì)安全認證。電涌防護器的本質(zhì)安全認證僅涉及電涌防護器為本質(zhì)安全儀表。本安型電涌防護器應(yīng)符合本安設(shè)備的設(shè)計和制造標準。

同一本安線路中的現(xiàn)場儀表電涌防護器和控制室端電涌防護器，如果不是無電容及電感的“簡單設(shè)備”，則本安線路的工程設(shè)計要包括兩者的本安參數(shù)。安裝在安全場所的電涌防護器不需要本安關(guān)聯(lián)儀表的認證。

9.1.2工作特點

電涌防護器不是本安系統(tǒng)的安全柵，二者工作原理、元器件規(guī)格、工作頻率、工作參數(shù)完全不一樣，不能互相代替。安全柵是低頻小功率器件，用于限制通向爆炸危險場所的電能，防止引燃爆炸危險場所的可燃氣體。

電涌防護器的防護對象是室外雷電產(chǎn)生的高頻強功率電流。電涌防護器的作用是把電涌泄放入地，防護雷電電涌對儀表的沖擊，消除或減少雷電電涌對儀表造成的損壞。

9.2 電涌防護器的安裝

控制室內(nèi)或現(xiàn)場機柜內(nèi)等本安回路中的安全區(qū)域內(nèi)，保護室內(nèi)控制系統(tǒng)的電涌防護器應(yīng)安裝在室外電纜到安全柵之間。電涌防護器和安全柵可以分別安裝在不同的機柜，但宜安裝在同一機柜。在同一機柜安裝時采用電涌防護器導(dǎo)軌和安全柵導(dǎo)軌并排安裝的方式，使電涌防護器與安全柵之間的接線較短，并節(jié)省安裝空間，但二者不應(yīng)安裝在同一個導(dǎo)軌上。

9.3 接地連接

齊納式安全柵需要接地，隔離式安全柵不需要接地。安全柵接地匯流導(dǎo)軌的接地線可接到電涌防護器的接地導(dǎo)軌或機柜的儀表保護接地條。本安系統(tǒng)接地既不是儀表工作接地，也不是保護接地。通過接地系統(tǒng)既與保護接地連接也與儀表工作接地相連。

由于采用網(wǎng)型接地結(jié)構(gòu)，接地導(dǎo)線較短，這種接地方式具有較小的連接阻抗，不必再考慮本安連接電阻的測量，因此本安接地路徑的連線不再需要采用2根導(dǎo)線。

10 現(xiàn)場總線系統(tǒng)防雷

現(xiàn)場總線系統(tǒng)的防雷本文不做敘述。

11 控制室建筑物防雷設(shè)計

11.1 控制室建筑物防直擊雷設(shè)計

控制室建筑物的防雷設(shè)計不是儀表專業(yè)的工作范圍，是由儀表專業(yè)提出條件，由相關(guān)專業(yè)設(shè)計。

11.1.1接閃器

控制室建筑物按GB 50057—2010第二類防雷建筑物的規(guī)定采取防直擊雷措施?？刂剖医ㄖ锝娱W器采用GB 50057—2010第二類防雷建筑物的接閃網(wǎng)方式，接閃網(wǎng)應(yīng)沿控制室建筑物的外墻四周均勻?qū)ΨQ布置不少于4根專用引下線，間距不應(yīng)大于18 m。

11.1.2接地裝置和接地板

由于控制室儀表系統(tǒng)接地網(wǎng)的需要，應(yīng)圍繞控制室建筑物設(shè)置環(huán)形接地裝置。接閃網(wǎng)引下線就近直接接入接地裝置。控制室建筑物的鋼筋等金屬體不作為防直擊雷裝置的引下線?？刂剖覂?nèi)四周需要預(yù)留不少于4處的接地裝置接地連接板，較大的控制室應(yīng)適當(dāng)增加連接板?？刂剖彝怆娎|進入控制室入口也要留有接地板。

11.2 控制室內(nèi)的相關(guān)設(shè)計

控制室建筑物宜采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。建筑物的金屬構(gòu)件、門窗框架及建筑鋼筋等應(yīng)在建設(shè)時就進行等電位連接。安裝儀表系統(tǒng)的控制室、機柜室位置宜選擇在建筑物底層。

儀表系統(tǒng)設(shè)備與建筑物外墻的凈距離應(yīng)大于2.0 m。對于抗爆結(jié)構(gòu)建筑物，儀表系統(tǒng)設(shè)備與建筑物外墻的凈距離應(yīng)大于1.5 m。

12 結(jié)束語

石油化工儀表系統(tǒng)的防雷具有儀表品種多、信號種類多、現(xiàn)場儀表分布廣、電纜數(shù)量多、控制系統(tǒng)規(guī)模大、電涌承受能力差等特點，還有爆炸危險場所、本質(zhì)安全系統(tǒng)、儲運罐區(qū)等特殊區(qū)域特點，這都是石油化工工業(yè)特有的，所以防雷工程相對復(fù)雜。

《石油化工儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計規(guī)范》編制者針對石油化工儀表系統(tǒng)的特點，根據(jù)雷電防護的基礎(chǔ)理論和15年來的理論研究、方法探索、工程實踐、實驗論證，總結(jié)了行之有效的防雷方法、簡化了防雷工程、摒棄了其他不切實際的做法和模糊不定的概念。采用了定性評估和確定防雷工程、統(tǒng)一采用大截面積材料作為連接導(dǎo)體、網(wǎng)型接地結(jié)構(gòu)、明確以電涌防護器為主的綜合防護、按儀表對電涌的耐受能力區(qū)分設(shè)置電涌防護器等，形成了具有行業(yè)特色的儀表系統(tǒng)防雷工程方法，在包括雷電高發(fā)地區(qū)的多個大型石油化工工程中取得了矚目的成就，還編制了設(shè)計規(guī)范，并正在修訂中。