魏 丹

（國(guó)家能源集團(tuán) 神華榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719300）

0 引言

雷擊是在一定情況下自然界產(chǎn)生的電磁輻射源，能向周圍環(huán)境發(fā)射巨大的電磁信號(hào)。因天氣原因發(fā)生雷擊時(shí)，僅在短短的瞬息微秒間便會(huì)產(chǎn)生至幾百千安的雷電流。產(chǎn)生的巨大電流會(huì)因?yàn)閺?qiáng)大的物理變化，在放電通道的周圍環(huán)境生成強(qiáng)烈的瞬變電磁場(chǎng)。處于該磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體因自身靈敏的導(dǎo)電特性，會(huì)感應(yīng)出瞬態(tài)過電壓。相關(guān)研究者針對(duì)雷擊對(duì)電子設(shè)備造成的傷害，可以表明雷擊對(duì)電子設(shè)備的影響巨大，對(duì)實(shí)際的化工業(yè)生產(chǎn)過程的安全和效率產(chǎn)生一定影響。利用科學(xué)儀器的分析和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)雷擊產(chǎn)生的中低量的瞬態(tài)過電壓會(huì)對(duì)電子設(shè)備的通訊和數(shù)據(jù)傳輸造成干擾，影響數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和利用，在一定情況下容易引起電子設(shè)備的失控。同時(shí)，雷擊產(chǎn)生的連續(xù)多次的瞬態(tài)過電壓會(huì)嚴(yán)重縮短電子設(shè)備的使用壽命，影響電子設(shè)備的工作性能，降低在實(shí)際生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)效率，還有可能造成安全隱患。在當(dāng)代化工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)中，儀表系統(tǒng)具有不可替代的重要作用，被廣泛運(yùn)用于實(shí)際的生產(chǎn)過程當(dāng)中。但儀表系統(tǒng)自身在防雷技術(shù)上具有局限性，其絕緣能力低且易受電磁干擾，在雷電暴雨天氣中極為容易被干擾甚至損壞。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，神華榆林公司因地處雷暴區(qū)域，在2017年內(nèi)因受雷電影響造成的儀表設(shè)備損失達(dá)60多萬元。因此，化工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)積極采取有效的防雷保護(hù)措施是非常必要的。隨著生產(chǎn)方式的多樣化，實(shí)施有效的防雷技術(shù)已是大勢(shì)所趨。對(duì)此公司組織相關(guān)技術(shù)人員成立了防雷防靜電技術(shù)攻關(guān)小組，通過與廠家技術(shù)交流，并結(jié)合公司實(shí)際情況做好組織落實(shí)，以減小雷電造成的損失和影響，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，促進(jìn)企業(yè)健康的可持續(xù)發(fā)展。

1 儀表設(shè)備防雷分析

1.1 雷擊對(duì)儀表設(shè)備帶來的破壞性

雷擊對(duì)儀表設(shè)備的破壞性危害主要有以下幾類：

1）雷電直擊

雷電直接擊中現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備及控制系統(tǒng)或與儀表相連的管路，直接對(duì)儀表系統(tǒng)的傳感器和變送器的電子線路造成影響甚至損壞。同時(shí)，雷電擊中儀表系統(tǒng)時(shí)，強(qiáng)大的雷電電流會(huì)沿著儀表金屬支架直流流入地面，產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)是破壞DCS等電子設(shè)備的主要原因，其主要傳導(dǎo)信號(hào)傳輸線路直達(dá)控制室，直接對(duì)相關(guān)電子設(shè)備造成影響?，F(xiàn)場(chǎng)熱電阻如果安裝在空闊地帶，DCS控制系統(tǒng)中熱電阻卡會(huì)被瞬間的高壓雷電擊壞。本公司2017年秋季的一場(chǎng)雷雨將循環(huán)水場(chǎng)的和利時(shí)DCS控制系統(tǒng)的兩塊熱阻卡擊壞。

2）雷電感應(yīng)

雷電電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，其向外輻射電磁波，耦合到相應(yīng)的儀表設(shè)備、控制室計(jì)算機(jī)等，產(chǎn)生強(qiáng)大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或電流。如果儀表設(shè)備、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)沒有泄放感應(yīng)電的能力，電路板即會(huì)被擊穿損毀。

3）雷電過電壓侵入

生產(chǎn)儀器系統(tǒng)中導(dǎo)線和金屬管道在遭受雷電直擊或雷電感應(yīng)時(shí)容易產(chǎn)生雷電過電壓，此過電壓沿著工廠中具有導(dǎo)電功能的各種金屬管道、電纜線路等引入儀表系統(tǒng)，對(duì)儀表系統(tǒng)功能的使用壽命造成影響。

4）雷電反擊

當(dāng)雷電電流通過接地體時(shí)，強(qiáng)大的瞬間雷電電流通過引下線流入接地裝置。由于大地電阻的存在，雷電電荷不能快速向大地泄放，會(huì)造成電荷聚集，必然會(huì)引起局部地電位上升，提高了危險(xiǎn)系數(shù)。所以，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，如果儀表控制系統(tǒng)的接地體與該點(diǎn)的距離過近，為滿足適當(dāng)?shù)陌踩珬l件，二者之間的距離參數(shù)就會(huì)滿足放電條件，極易產(chǎn)生放電現(xiàn)象并產(chǎn)生反擊電流，直接從相反方向擊穿儀表設(shè)備，造成設(shè)備的失控和損壞，甚至?xí)：と说纳踩?，造成?yán)重的安全隱患。

表1 榆林公司雷擊損毀情況Table 1 Lightning damage in Yulin Company

地處沙漠雷暴區(qū)域的神華榆林公司在2017年內(nèi)，因受雷電影響造成的儀表設(shè)備損失達(dá)60多萬元。儀表設(shè)備損壞情況見表1。

1.2 雷電防護(hù)措施存在的問題分析

面對(duì)這種情況，為保證儀表設(shè)備長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，公司成立了防雷防浪涌技術(shù)攻關(guān)小組，針對(duì)以往發(fā)生的雷擊事故，分析總結(jié)出公司雷電防護(hù)措施存在如下問題：

1）防雷接地裝置老舊破損，自然腐蝕嚴(yán)重，降低傳導(dǎo)雷電電流的效率，延長(zhǎng)引導(dǎo)電流流入地面時(shí)間。

2）投用的儀表系統(tǒng)中的部分金屬裝置和框架沒有接地，或者接地連線狀況問題較為嚴(yán)重。

3）儀表設(shè)備和電纜的屏蔽存在問題，儀表保護(hù)地漏接或松動(dòng)。

4）引下線和儀表系統(tǒng)的電纜線分布不科學(xué)。

5）儀表地處位置較為空曠，易受到雷擊影響。

2 解決方案與措施

自動(dòng)控制儀表行業(yè)防雷保護(hù)對(duì)象主要分為：

1）供電電源：涵蓋為控制室各DCS、SIS、PLC等控制系統(tǒng)提供電源的市電及UPS供電、分配至現(xiàn)場(chǎng)220V交流空開電源，24V開關(guān)直流穩(wěn)壓電源。

2）控制系統(tǒng)各類I/O卡件：包括熱電阻熱偶卡、模擬量輸入輸出卡、數(shù)字量輸入輸出卡、通訊卡、現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡、機(jī)籠等。

3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備：各類兩線制四線制流量?jī)x表、壓力儀表、液位儀表、熱電偶、秤重設(shè)備等儀器儀表。

為解決公司儀表防雷擊的問題，儀表專業(yè)通過與MTL、ABB、菲尼克斯先后進(jìn)行了防雷防浪涌的技術(shù)交流，廠家均給出了詳細(xì)方案。

圖1 浪涌保護(hù)器接地Fig.1 Grounding the surge protector

2.1 浪涌保護(hù)器安裝與選擇

2.1.1 浪涌保護(hù)器的安裝及注意事項(xiàng)

1）成對(duì)安裝

安裝浪涌保護(hù)器是化工企業(yè)在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)用過程中的儀表的重要防雷措施。浪涌保護(hù)器一般安裝在現(xiàn)場(chǎng)儀表側(cè)和二次儀表或DCS接線端子側(cè)，為了更高效地發(fā)揮其工作效能，工廠一般采取成對(duì)運(yùn)用的方式安裝。如果現(xiàn)場(chǎng)儀表需要加裝防浪涌設(shè)備，不僅信號(hào)回路要加裝浪涌設(shè)備，電源側(cè)同樣需要加裝，尤其是220V交流供電。

2）浪涌保護(hù)器與儀表系統(tǒng)需要同一接地點(diǎn)

高效的運(yùn)用好浪涌保護(hù)器，要求浪涌保護(hù)器與儀表系統(tǒng)之間的電勢(shì)差為零，即需要二者始終保持相等電位。為達(dá)到高效的防雷效果和防浪涌生產(chǎn)，相關(guān)工作人員應(yīng)設(shè)計(jì)一套囊括整個(gè)產(chǎn)區(qū)的等電位地控制系統(tǒng)。若因工廠自身?xiàng)l件的局限性，無法實(shí)現(xiàn)整個(gè)廠區(qū)的等電位地，則應(yīng)因地制宜，有效地將浪涌保護(hù)器與被保護(hù)的設(shè)備同地。

圖1中左側(cè)圖，浪涌設(shè)備與被保護(hù)設(shè)備不在同一個(gè)地，則會(huì)大大消減對(duì)設(shè)備的保護(hù)。因?yàn)槔擞勘Ｗo(hù)器放電時(shí)，浪涌保護(hù)器的電勢(shì)隨著電流的升高而升高，而設(shè)備本身的電勢(shì)沒有變化，因而會(huì)形成電勢(shì)差，將危害被保護(hù)設(shè)備。而右圖中，由于浪涌保護(hù)器與設(shè)備在一個(gè)地，即便由于浪涌設(shè)備放電會(huì)導(dǎo)致電勢(shì)升高，但不存在電勢(shì)差，設(shè)備被有效保護(hù)。浪涌保護(hù)器的接地線與被保護(hù)設(shè)備的接地線要盡快相連，且時(shí)間越早效果越好，即所謂星型地線連接原則。二者相連時(shí)要選擇功能相應(yīng)的接電線相連，保護(hù)I/O卡的浪涌保護(hù)器的接地線應(yīng)盡早與I/O卡的地線連接；保護(hù)穩(wěn)壓電源的浪涌保護(hù)器的接地線應(yīng)盡早與穩(wěn)壓電源的地線連接。然后，再接往電氣總接地電極。

3）現(xiàn)場(chǎng)儀表安裝電纜需帶金屬屏蔽層，且屏蔽層需單點(diǎn)在控制室機(jī)柜間做好接地，對(duì)無屏蔽層、屏蔽層損壞有斷點(diǎn)的電纜需重新敷設(shè)，不留死角?，F(xiàn)場(chǎng)儀表側(cè)的儀表線路屏蔽層進(jìn)行絕緣處理，且保證屏蔽層必須穿入儀表外殼內(nèi)。

4）儀表控制系統(tǒng)機(jī)柜間需增設(shè)防靜電手環(huán)，在進(jìn)行系統(tǒng)卡件插拔更換前將人體靜電釋放。

2.1.2 浪涌保護(hù)器的選擇

通過多次技術(shù)交流討論，結(jié)合公司各機(jī)柜間實(shí)際布置圖及現(xiàn)場(chǎng)安裝位置，采用菲尼克斯浪涌保護(hù)器。

1）針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表

一是在兩線制變送器信號(hào)側(cè)增加S-PT系列浪涌保護(hù)器，此保護(hù)器并聯(lián)在信號(hào)線上，外觀是全不銹鋼，即省掉再加電源線的設(shè)置，又可將浪涌保護(hù)器裸露在外邊，而且電氣接口與現(xiàn)場(chǎng)儀表一致，不用再制作轉(zhuǎn)換接頭；二是對(duì)無源輸出信號(hào)線增加6cm寬度TTC系列浪涌保護(hù)器，并使保護(hù)器可靠接地。

2）現(xiàn)場(chǎng)四線制儀表（24V信號(hào)顯示和220V電源回路）的稱重傳感及流量設(shè)備

① 檢查所有外場(chǎng)儀表接地，并保證接地電阻小于4Ω。對(duì)于接地電阻在4Ω的流量表，尤其安裝地處于空闊地帶，現(xiàn)場(chǎng)重新深挖接地電纜溝，采用接地銅排的方式直接連至電氣的公共接地端。循環(huán)水的原區(qū)進(jìn)水流量計(jì)為GE超聲波流量計(jì)，在2017年的雷擊過程中先后燒壞過兩塊控制板，多次檢查均沒有找到問題點(diǎn)。與防浪涌廠家技術(shù)交流，懷疑是接地深度不夠，再次檢查發(fā)現(xiàn)接地不合格，因此采用深挖接電線銅排直連電氣的方式，耐受住了2018年3次較大雷雨天氣的襲擊。

② 針對(duì)四線制220V交流供電儀表，選用支持在線熱插拔更換損壞模塊，具備故障指示及遙信報(bào)警VAL系列220V浪涌保護(hù)器，并保證防浪涌器可靠接地。

③ 整改儀表設(shè)備接地線纜到接地匯流排線纜長(zhǎng)度不要超過1m。

3）儀表機(jī)柜間

控制系統(tǒng)卡件接線端子前端增加信號(hào)類浪涌保護(hù)器：AI/AO菲尼克斯浪涌保護(hù)器TTC-6-1×2-M-24DC-UT-I（24VDC）；485浪涌保護(hù)器通迅菲尼克斯TTC-6-3-HF-M-12DC-UT-I（12VDC）保護(hù)信號(hào)回路；DI/DO菲尼克斯浪涌保護(hù)器 TTC-6-2×1-M-24DC-UT-I（24VDC）。

TTC系列產(chǎn)品能帶負(fù)載電流為600mA，具有安全脫扣和狀態(tài)報(bào)警指示功能。無源的狀態(tài)指示，可以在線更換被雷擊損壞的模塊，而且寬度只有6mm，很好地適應(yīng)了機(jī)柜內(nèi)空間問題。同時(shí)，自帶報(bào)警功能，難以較容易地識(shí)別出浪涌保護(hù)器的使用狀態(tài)。

4）電源220VAC現(xiàn)場(chǎng)供電回路機(jī)房配電側(cè)

機(jī)房配電側(cè)，每一路220VAC供電回路加裝采用支持在線熱插拔VAL系列保護(hù)器，并可靠接地。

改造后，增加接地措施以及增加防雷浪涌保護(hù)器后的儀表回路，如圖2所示。

2.2 增設(shè)浪涌保護(hù)器方法及步驟

2.2.1 安裝注意事項(xiàng)

1）無聯(lián)鎖邏輯的信號(hào)，與工藝協(xié)商，開具作業(yè)票，直接拆除信號(hào)線后安裝防浪涌保護(hù)器。

2）參與聯(lián)鎖邏輯的信號(hào)，與工藝協(xié)商，開具作業(yè)票，先摘除聯(lián)鎖信號(hào)，然后拆除信號(hào)線后安裝防浪涌保護(hù)器。

圖2 防雷改造后的儀表回路Fig.2 The instrument circuit after lightning protection transformation

2.2.2 安裝信號(hào)類型

1）按照全廠儀表布置圖，選擇安裝在空闊地點(diǎn)及全廠重要儀表生成安裝防雷防浪流涌?jī)x表一覽表，現(xiàn)場(chǎng)儀表到機(jī)柜側(cè)的信號(hào)線，在機(jī)柜間第一道端子處增設(shè)防浪涌保護(hù)器；現(xiàn)場(chǎng)變送器則并聯(lián)防浪涌保護(hù)器。

2）通訊點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)PLC等控制系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)之間的所有通訊信號(hào)增設(shè)防浪涌保護(hù)器，其中罐有4套通訊設(shè)備；MTO裝置有5套通訊設(shè)備；LOUR裝置有5套通訊設(shè)備；棧橋有4套通訊設(shè)備；PP裝置有10套通訊設(shè)備；LDPE裝置有16套通訊設(shè)備；污水有7套通訊設(shè)備；動(dòng)力有16套通訊設(shè)備；循環(huán)水有7套通訊設(shè)備。

2.2.3 方法及步驟

1）現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)入DCS系統(tǒng)卡件前，增設(shè)防浪涌保護(hù)器。拆除機(jī)柜間現(xiàn)場(chǎng)側(cè)接線端子后，在拆除端子的位置處安裝浪涌保護(hù)器，按照浪涌保護(hù)器的接線方式將拆除端子的信號(hào)線恢復(fù)接線。所有接線端子在接線前穿好打印的線標(biāo)，并將儀表接線一覽表進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

2）現(xiàn)場(chǎng)PLC等控制系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)之間的通訊信號(hào)，分別在各自系統(tǒng)的機(jī)柜側(cè)增設(shè)防浪涌保護(hù)器。分別拆除各自機(jī)柜側(cè)通訊信號(hào)接線端子，在拆除端子的位置處安裝浪涌保護(hù)器，按照浪涌保護(hù)器的接線方式將拆除端子的信號(hào)線恢復(fù)接線。

3）接地方式：由于浪涌保護(hù)器的接地端與導(dǎo)軌用金屬連接，故在同一導(dǎo)軌安裝的浪涌保護(hù)器其接地方式直接采用導(dǎo)軌與柜內(nèi)接地匯流條連接方式，接地線總長(zhǎng)度不超過1m。

4）現(xiàn)場(chǎng)并聯(lián)浪涌器時(shí)，先對(duì)浪涌器接線端用U型接線端子壓好線，再并聯(lián)至回路中。

5）對(duì)于PE裝置脈沖控制器，其DI/DO信號(hào)是與DCS及SIS系統(tǒng)相連，介于在2017年秋季一場(chǎng)大雨中被雷擊壞了兩塊數(shù)字板，因而對(duì)DI/DO信號(hào)在中央控制室側(cè)第一道端子也增加了TTC-6-1×2-M-24DC-UT-I（24VDC）保護(hù)器，AI/AO信號(hào)增加MTL系列隔離安全柵。

6）對(duì)回路的精度進(jìn)行檢查測(cè)試

模擬輸入點(diǎn)（4mA～20mA信號(hào)）：在控制站模擬輸入卡一側(cè)，拆除被測(cè)點(diǎn)接線，接入信號(hào)發(fā)生器的輸出端，依次送入量程的0%、50%、100%對(duì)應(yīng)的毫安信號(hào)，在操作站的點(diǎn)細(xì)目畫面、流程圖畫面觀察并記錄PV值，將結(jié)果填入點(diǎn)檢記錄單，以測(cè)試增加保護(hù)器的精度是否符合要求。

DI/DO點(diǎn)：DI信號(hào)短接測(cè)試，DO信號(hào)輸出側(cè)電壓，響應(yīng)速度是否達(dá)到要求。

2.3 增加相應(yīng)防雷防浪涌制度、巡檢頻次

1）完善儀表防雷防靜電管理規(guī)章制度、臺(tái)帳記錄，增加防浪涌保護(hù)器更換記錄。

2）按照要求，現(xiàn)場(chǎng)儀表的金屬外殼、儀表保護(hù)箱、接線箱及機(jī)柜的金屬外殼應(yīng)就近接地或與接地的金屬體相連接。

現(xiàn)場(chǎng)防雷防靜電設(shè)施，包括防雷防靜電接地、靜電跨接、儀表設(shè)備的工作接地、保護(hù)接地及信息接地等設(shè)施是否完好，對(duì)儀表靜電接地裝置進(jìn)行定期檢測(cè)。對(duì)不合格、不安全接地進(jìn)行整改，完成后再做相應(yīng)檢測(cè)。

3）對(duì)增加的防浪涌設(shè)備進(jìn)行周期巡檢，在雷雨前、雷雨后增加巡檢頻次；對(duì)有報(bào)警的設(shè)備，立即組織人員進(jìn)行更換。

4）按照相應(yīng)規(guī)范，對(duì)防爆區(qū)域的所有儀表的保護(hù)地進(jìn)行完善及檢查，對(duì)其有松動(dòng)、銹蝕的接地線進(jìn)行緊固及除銹；其它區(qū)域供電為36V以上的儀表沒有保護(hù)地的進(jìn)行敷設(shè)及完善。

3 結(jié)束語

本公司現(xiàn)場(chǎng)及機(jī)柜間儀表設(shè)備經(jīng)過防雷措施改造，在2018年期間此地共發(fā)生較大雷暴雨有3次，均未造成儀表?yè)p壞或示值波動(dòng)。

通過公司現(xiàn)場(chǎng)儀表防雷浪涌保護(hù)改造的實(shí)例說明，在中國(guó)當(dāng)代的化工企業(yè)中儀表防雷防浪涌設(shè)備的安裝及運(yùn)用非常重要，在各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中都起到不可替代的重要作用。這些項(xiàng)目的運(yùn)用同時(shí)對(duì)公司后序項(xiàng)目提供有利支持，可在設(shè)計(jì)施工階段提前部署，避免同類型雷擊儀表?yè)p毀事件的發(fā)生，做到事前預(yù)防，從而降低非計(jì)劃停車次數(shù)，保證各裝置儀表長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行，促進(jìn)企業(yè)長(zhǎng)久健康的可持續(xù)發(fā)展。