仪表系统防雷|仪表及控制系统防雷工程设计
作者：叶向东，中国石化工程建设有限公司副总工程师，教授级高级工程师。
摘要：
总结了十几年来石油化工仪表及控制系统防雷工程的实践经验，根据国际和国内其他行业防雷标准的基本原则，结合《石油化工仪表系统防雷设计规范》的修订，从适合中国石油化工行业仪表及控制系统工程实用的方面，介绍了仪表系统防雷工程的设计方法、防雷工程接地系统、电涌防护器的应用、控制室仪表系统的防雷、爆炸危险环境中现场仪表的防雷、电缆的屏蔽和敷设等设计内容。特别介绍了网型接地结构，简化了接地结构的复杂和不确定性，解决了接地系统的雷电流泄放和接地功效的问题，并使施工简便易行。
关键词：
石油化工行业；仪表及控制系统；防雷工程设计；防雷接地系统；网型接地结构；控制系统防雷；现场仪表防雷；本安系统防雷；电涌防护器
中国是雷电多发国家，石油化工工厂仪表及控制系统（以下简称仪表系统）的雷击事故是流程工业工厂的重大自然灾害之一。雷电频繁发生区域的石油化工工厂几乎每年都受到雷击的影响，每年都有雷电造成仪表系统的损坏，导致装置停工、停产的事件。每次因雷击造成仪表系统损坏的直接经济损失就达几万到几十万元，造成停产或减产维修的经济损失多达数百万元，有的雷击甚至造成人员伤害。
仪表系统的电子化、集成化、计算机化和网络化增加了对雷电的敏感性和易损性，使雷电侵入的影响增大。不但南方地区、沿海、沿江、山地等严重雷电危害区域的工厂的仪表系统经常因雷电袭击而损坏，就连北方雷暴日较少的一些地区的工厂也时常发生雷电损毁仪表系统的事件。仪表及控制系统的雷电防护工程（以下简称仪表防雷工程）是石油化工工厂重要的防灾减灾工程。
1雷电对仪表系统的危害
雷电对仪表系统的损坏有两种途径：直击雷电流和电磁感应电流。
直击雷是直接击中建筑物、大地、设施或设备等实际物体的雷电。对仪表系统就是直接击中仪表本体或信号线路的雷电。中等强度的直击雷电流约为10～80kA。
电磁感应电流是线路附近区域的直击雷电流的电磁感应在线路上产生的冲击电流，也称为雷电电涌。电涌电流强度根据实际情况而异，约为几十到几百安培。线路上的直击雷电流或雷电电磁感应产生的电涌会沿线路向两端流动，损坏测量仪表和信号接收仪表。
工厂建（构）筑物的雷电防护虽然能防止建筑物内和设备及框架下的仪表遭受直击雷，但不能阻挡雷电电磁感应在仪表内部和线路上产生的电涌。另外，建筑物雷电防护范围之外区域的仪表及线路仍然受到直击雷的威胁。
2仪表防雷工程的确定
由于雷击和雷电的发生是小概率随机事件，其物理量是不可测量的，所以不能准确、清晰地定量确定，只能采用评估的方法。
2.1 定量评估方法
常采用的雷电损坏经济风险评估的方法有两种：当不设置雷电防护工程时，雷击事件造成仪表系统损坏导致装置生产的综合经济损失大于防雷工程投资价值时，应实施仪表防雷工程；雷击事件造成装置生产的综合经济损失大于可容忍经济损失或预计风险大于可容忍风险时，应实施仪表防雷工程，使预计风险小于可容忍风险。
定量评估方法比较复杂，工程上难以操作。由于雷击事件是不确定的概率事件，所有的定量评估方法都有不确定性。不同的标准规范有不同的评估方法，各自采用了不同的简化方法。基本方法之一是根据雷电活动程度和被保护系统的重要程度确定雷电防护等级，按雷电防护等级确定实施防雷工程。
石油化工仪表系统雷电防护等级的确定方法：控制系统中任1台控制器或任1组I/O模件损坏可能造成装置生产事故的可能综合经济损失与被保护系统的重要程度参考分类见表1所列。
表1 被保护系统的重要程度参考分类
雷电防护等级可根据表2中被保护系统的重要程度分类和年平均雷暴日确定。
表2 综合评估法雷电防护等级
装置所在地区的年平均雷暴日数值可查询当地气象部门的资料，但年平均雷暴日并不能反映不同季节不同时期的雷击次数，也不能反映区域雷击密度和雷电强度，也就不可能准确地预测或评估雷电活动程度。期待将来气象部门能够记录并提供更有意义的雷电活动数据。
一级防护等级应当实施仪表防雷工程，二级防护等级也适宜实施仪表防雷工程。
在中心控制室及装置制高点附近可以设置雷电测定装置和雷电预测装置，积累厂区雷电活动资料。
2.2 定性评估方法
仪表防雷工程可根据下列情况之一确定，只要有一种条件成立，即应实施仪表防雷工程。
1) 发生过危及安全生产的雷击损害事件的工厂区域。
2) 根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》设置了雷电防护的建筑物，内部装有电子设备的，特别是连接室外信号线路的。
3) 当建设区域曾经出现单日雷击次数大于N次/d或150 kA以上雷电流强度的雷击次数多于1次/年时；雷击次数及雷电流强度可根据当地气象部门资料或自行测定结果确定。
4) 投资方、保险方或主管责任方可以根据主观意愿确定是否实施仪表防雷工程(自行承担风险、损失和责任)。这也是符合IEC标准提到的防灾减灾原则之一的。
3仪表防雷系统基本原理和方法
3.1基本原理
仪表防雷的基本原理是限流、限压、限能。设法将雷电流在到达仪表之前就大部分泄放入地，并将残余雷电流产生的电压限制在小于仪表能够承受的范围内，使仪表不受雷电损害。由于雷电持续时间较短，残余的雷电流不会对信号造成有效干扰。
3.2设计原则
仪表防雷工程的设计应根据防护目标的具体情况，确定合适的防护范围，采用综合的防护方法，保护仪表系统不受雷击损害，降低雷击事件的风险，符合防灾减灾的投资条件，经济有效地防护和减少仪表系统雷击事故造成的生产和经济损失。
3.3工程方法
仪表防雷工程方法：设置电涌防护器，仪表系统接地，信号电缆的屏蔽，仪表设备的屏蔽。仪表防雷工程采取的每一种方法都是有效的，但都不能代替其他方法，若想得到良好的防护效果，就需要采取全部方法，不可片面地忽略某一种或几种方法。
SH/T 3164—2012《石油化工仪表系统防雷设计规范》根据石油化工仪表系统和工程建设的特点，制定了行之有效的仪表防雷工程方法，简化了一些不确定的概念和难以实施的方法。例如：没有用到雷电防护区的概念和某些不切实际的防雷方法。
全文发表在《石油化工自动化》2020年第6期
全文收录在《中国防雷技术选编》
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