石油化工儀表系統(tǒng)的接地設計

安詩玉

(中國成達工程有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

石油化工設備的儀表系統(tǒng)是保證石油化工正常生產的重要系統(tǒng)。但是我國是一個多雷電災害的國家，雷電災害對我國石油化工企業(yè)設備的儀表系統(tǒng)造成嚴重威脅。由于雷電災害的頻繁發(fā)生，許多石油化工工廠的儀表系統(tǒng)受到雷電的影響。部分地區(qū)由于雷電的頻發(fā)，對石油化工工廠儀器儀表系統(tǒng)造成破壞，導致停工停產的事故時有發(fā)生。當儀表系統(tǒng)遭到雷擊受損時，直接造成儀表系統(tǒng)經濟損失達數(shù)萬元至數(shù)十萬元，停產減產造成的經濟損失達數(shù)百萬元，有的閃電災害甚至會給人的生命安全帶來威脅。隨著科技的發(fā)展，儀表系統(tǒng)逐漸趨于電子化、集成化，加上計算機網絡技術等成為控制儀表系統(tǒng)的重要組成部分，使得儀表系統(tǒng)對雷電災害的敏感度飆升，極易受到雷電災害帶來的破壞。雷擊事件遍布我國各地，嚴重威脅我國石油化工廠的儀表系統(tǒng)，部分風雨肆虐地區(qū)的工廠儀器系統(tǒng)甚至被閃電直接破壞。儀表系統(tǒng)的防雷技術成為防止石油化工企業(yè)遭受災害的必備舉措。

1 雷電的危害形式及防護

雷電對周圍物體造成損害的形式眾多，其主要類型有直接作用形式的雷電，例如直擊雷；間接作用形式的雷電，例如雷電對電磁場的干擾以及雷電產生的靜電感應。

在石油化工行業(yè)的儀表系統(tǒng)中，通常使用的模擬信號只能保持在較低值，因此雷擊事件發(fā)生時產生的數(shù)百甚至上千伏的電壓對于儀表系統(tǒng)的模擬信號產生巨大的威脅，遠遠超過石油化工行業(yè)的儀表系統(tǒng)能夠承受的電壓極限值。

1.1 直擊雷

由于帶電的云霧和周圍的大地以及大地上的建筑物等之間存在一定的距離，因此直擊雷在該空間內容易產生快速放電，從而引發(fā)劇烈的電磁電熱效應。雷對其周圍的建筑物和電子產品甚至是建筑物內人員產生巨大損害，甚至引起物體爆炸、電氣絕緣損傷和電線熔斷。為保證石油化工裝置的儀表系統(tǒng)的安全運行，應選擇抗干擾度高的儀器并設置正確的接地方式?？刂葡到y(tǒng)通常被安置在石油化工廠的某一獨立建筑的控制室內。該建筑主要根據第三種防雷結構的設計要求來進行設計，屋頂防雷網通過引下線與防雷接地網相連[1]。同時，如果能夠使石油化工設備中的儀表系統(tǒng)與接地網實現(xiàn)等電位連接，不僅能拉大防雷接地與儀表系統(tǒng)之間的絕緣距離，而且能夠使石油化工設備實現(xiàn)等電位連接。

1.2 電磁場干擾及靜電感應

當雷云經過控制室時，雷電在發(fā)生時會伴隨著巨量的電流經接地引線流入大地。當周圍存在一定的電子設備，例如電源、信號光纜等，則會對其產生電磁感應并使控制系統(tǒng)受到雷電的破壞。尤其當電子設備控制室距離雷電較近時，電纜或其他電子設備上感應產生的高電位會直接作用到儀表系統(tǒng)。雷云在途經控制室的時候，其所帶電荷能夠使控制室周圍感應出相反的電荷，因此當雷云消失后，如果不對控制室周圍的電荷進行引導，會導致出現(xiàn)控制室周圍的局部高電位，從而破壞控制室內的電氣系統(tǒng)。為了避免電磁干擾和靜電感應的產生，可采取將控制室內各金屬裝置與防雷裝置連接的方法，以實現(xiàn)防雷的目的。

2 接地分類

根據作用的不同，石油化工行業(yè)儀表自控系統(tǒng)的接地分為安全接地和工作接地兩種。為有效保證人身安全和儀表系統(tǒng)的安全，安全接地是儀表系統(tǒng)必不可少的措施。安全接地分為以下幾種類型：保護接地、防靜電接地以及防雷接地。工作接地主要分為回路接地、屏蔽接地以及本安接地，主要用來保證儀表系統(tǒng)工作的正常進行。

2.1 安全接地

保護接地通常采用將儀表系統(tǒng)非帶電金屬結構與大地直接相連的方式來設置。如果儀表系統(tǒng)發(fā)生了故障，通常會使未帶電的金屬部件增加承受危險電壓的可能。保護地線可以迅速將這些危險電壓引導到地面上，避免造成對電氣設備的電擊和人員的損傷。另外，保護接地可以起到防止靜電積累的作用[2]。防靜電接地主要用來保證儀表系統(tǒng)上產生的感應靜電能夠通過接地線流入大地，從而避免靜電電流對儀表系統(tǒng)以及周圍其他設備甚至工作人員的破壞和傷害。防雷接地主要有兩種形式，其中一種為外部接地，主要由電氣專業(yè)人員來進行安裝調試。

2.2 工作接地

回路接地通常被使用在自動化或其他計算機系統(tǒng)中。在石油化工行業(yè)的儀表系統(tǒng)中，工作接地需要將非隔離信號統(tǒng)一成一個信號點并設置直流電源公共端來進行接地。

屏蔽接地主要用來消除電磁干擾。屏蔽接地在設置時通常采用將電纜的屏蔽層、排擾線、儀表的屏蔽接地端子共同接地的方式來實現(xiàn)。屏蔽接地的另一種形式是使儀表系統(tǒng)所在控制室建筑的鋼筋等金屬裝置連接形成屏蔽網[3]。

本安接地一般由兩部分組成，分別是本安儀表和安全柵欄。安全柵欄一般采用隔離式和齊納式兩種類型來進行設計。隔離式安全柵欄由于采用了輸入輸出和電源分離的結構設計，因此其隔離效果較好，可以將系統(tǒng)的接地設計省略掉。齊納式安全柵欄為了保證其結構的安全性，通常是采用一系列電子元件來保證輸入量不會超過閾值。儀表系統(tǒng)在使用齊納式本安接地時為有效保證電勢的一致，通常將接地部分連接到一起。

3 儀表接地系統(tǒng)的設計應用

3.1 基本原理

石油化工儀表系統(tǒng)防雷設計的基本原理為限制雷電作用的電流、電壓以及能量。為達到該目的，應采取措施實現(xiàn)在雷電作用在儀表系統(tǒng)之前將其能量釋放掉，使雷電作用在儀表系統(tǒng)上的電流和電壓減小到儀表系統(tǒng)可承受的范圍內，從而保證儀表設備的安全[4]。

3.2 接地系統(tǒng)的構成

接線系統(tǒng)主要由接地導線、接地銅排和接地電極構成。接地導線在使用時，其橫截面積是重要的參考依據，在不同的連接部位中，由于使用長度的不同，應使用橫截面積不同的接地導線，如表1所示。

表1 接地導線的截面積

3.3 接地系統(tǒng)的設計原則

接地系統(tǒng)在設計時，要遵循確保工作接地和保護接地連接相同的接地點這一最基本原則，只有這樣才能避免電位差的生產。對于特殊性的儀表，應根據使用情況以及工作環(huán)境采取一定的隔離措施。特殊性的儀表設備由于其受工作環(huán)境的影響更大，因此要對其采取靈活的隔離措施。保護接地和工作接地在儀表盤或者其他設備中安裝時應將兩者進行有效的隔離。接地銅排主要應用在本安接地、屏蔽接地和回路接地中。接地電阻的選擇是影響接地安裝質量的重要因素。評價接地系統(tǒng)效果的好壞往往根據接線電阻阻值的大小[5]。

在儀表系統(tǒng)安裝過程中，使用的接地電阻通?？梢苑譃閮深悾哼B接電阻和接地電阻。具體在儀表系統(tǒng)接地時，應充分考慮接地電阻的大小，正確測量接地電阻值。接地時經常要在接地端和儀表系統(tǒng)的總線板之間接入連接電阻，該電阻大小一般要小于1 Ω。儀表系統(tǒng)內部的分支節(jié)點之間要控制接線阻值小于4 Ω[6]。其中接地導線的截面積、長度以及連接方式都會對阻值造成一定的影響，因此務必對影響因素加以考慮。

4 結語

綜上所述，儀表系統(tǒng)在石油化工生產中提供了可靠的生產數(shù)據并反映實際的生產狀況，能夠有效地保證生產裝置高效、穩(wěn)定的運行和安全生產。要使儀表系統(tǒng)正常運轉需要為其提供良好的工作環(huán)境，因此防雷接地系統(tǒng)設計的好壞關系著儀表系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。在設計階段重視防雷接地設計的同時，對一定的偶然事件也要做出預判，對系統(tǒng)進行不定期檢查和維護，并根據實際情況做出正確的處理。