石油化工自动控制系统雷电防护

　　

石油化工集散控制系统雷电防护

李杰¹ 苗德全²

1、山东省雷电防护技术中心 250031 2、临清市气象局 252600

摘要：分析石化控制系统特点，讨论了雷电对石油石油化工集散控制系统的危害形式，最后提出系统所应采取的若干防雷措施。

关键词：石油化工 控制系统 雷电防护

引言：胜利油田地处山东北部渤海之滨的黄河三角洲地带，是我国第二大石油生产基地，随着胜利石油化工企业的规模不断扩大，油气生产控制系统向网络化、集成化、智能化方向迅猛发展，控制系统对雷击敏感度水平在同步提高,因此雷击电磁脉冲的危害日趋严重，威胁设备的正常工作和安全运行，造成经济损失，严重的在易燃易爆场所甚至造成起火爆炸事故。因此，现代石油化工自动化控制系统的设计必须高度重视防雷的设计。目前对于石油化工自动控制系统的防雷问题，仍是个薄弱环节。本文将对这一问题进行探讨。

一、石化集散控制系统的特点

集散控制系统也称为分布式控制系统，简称DCS系统，是计算机技术对生产过程进行集中监控、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。其特点是通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全可靠等。

随着石油化工企业的规模不断扩大，DCS系统向网络化、智能化方向迅猛发展，系统设备普遍存在绝缘强度低、过压和过流耐受能力差、对电磁干扰敏感等弱点，一旦系统受到直接雷击或其附近区域发生雷击，雷电过压、脉冲电磁场会通过供电线、电缆汇线槽、穿线金属管等途径干扰控制设备，引起系统工作失灵，重则使系统永久性损坏，甚至造成人员伤亡及生产事故。因此，现代石油化工控制系统的设计必须高度重视防雷的设计。

二、雷电对石化自动控制系统的危害

1. 直击雷造成的地电位浮动而导致雷电反击

当化工装置遭受直接雷击时,将会在接闪器、引下线和接地体上瞬间产生很高的电位。如果金属线缆和它们间的绝缘距离不够,则会产生放电现象,破坏电缆的绝缘,将雷电波引入控制系统,使系统损坏,这种现象称为雷电反击。

部分油气生产控制设备对于接地质量要求较高，为避免受到大地杂散电流的影响，控制系统采用单独接地，与之相连的变送器则根据生产需要，布置在不同的生产区域，一般情况下是利用自身的金属外壳或是安装支架作为自然接地。当变送器附近的设备或是建筑物遭受直接雷击时，由于附近地电位的瞬间升高,可以使变送器和控制系统两处的地电位差达几千甚至几万伏,通过信号传输电缆,足以将变送器和控制系统的集成电路板击穿,即产生雷电反击，造成系统损坏。另外，DCS系统工作的逻辑电压较低，逻辑地电位出现干扰信号时容易影响系统的逻辑运算、数据传输和存储，引起信号测控的失真和误动作，甚至造成数据的混乱或是系统死机。

2. 空间电磁场使自动控制系统失效或是损坏

由于雷电流有极大的峰值和陡度，在它周围的空间产生强大的变化的电磁场，当控制系统周围发生雷击放电时,处在该电磁场作用下的金属线缆因切割磁力线会感应出数以千伏的感应电压。如果金属线缆之间形成了一个流通的闭合回路 ,则感应电压会在回路内形成闭合电流,该电流流经接触不良的接点或阻抗会产生局部过热,烧毁系统的电子主板。这是控制系统遭受雷电损坏的一种形式,这种形式较之受直接雷破坏的几率更大。

另外，在屏蔽层、接地线和大地之间有可能会形成一个闭合回路，当周围存在变化的电磁场的时候，在屏蔽层内会产生感应电流，通过屏蔽层和芯线之间的耦合，干扰影响正常信号的传输。

二、自动化控制系统防雷措施

1.合理有效的接地措施

（1）接地是提高电子设备电磁兼容很有效的手段之一，采取正确的接地措施，能够抑制电磁干扰，同时有能够抑制电子设备对周围设备发出干扰信号。系统接地的方式有浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。DCS系统属于高速低电平控制设备，一般采取的是直接接地方式。一点接地包括一点直接接地和串联一点接地方式。集中布置的控制系统采取并联一点接地方式，各装置的柜体、构架中心接地点以单独的接地线引向接地极。若是系统各个装置相距较远，应采用串联一点接地方式。连接材料选用铜带或是铜母线，截面积不小于22mm²,铜带或是铜母线的另一端直接与接地极相连接，接地电阻应小于2.0Ω，接地极深埋且远离强电源设备。

（2）采用共用接地系统。工程实际中，一些设备厂家要求电子信息系统采用独立直流接地方式，以隔离强电接地网电位变化的干扰。由于控制系统采用单独接地,而变送器的金属外壳或金属安装支架与地形成了自然接地。即使变送器的电子线路和变送器的外壳隔有一定间隙,当变送器附近的设备或建筑物遭雷击时,由于附近地电位的浮动,可以使变送器和控制系统两处的地电位差达几千甚至几万伏,故通过信号电缆,足以将变送器和控制系统的模拟量输入卡击穿,也即“反击”。

应将保护地与工作地相连接，即对DCS系统以及和它相连的变送器、执行器等必须采用等电位接地，DCS系统应和公用接地系统实现单点接地。这样DCS系统和防雷系统的接地系统进行等电位联接后接入防雷接地系统，即使受到雷电反击，但由于它们之间不存在电位差，所以不可能通过雷电反击构成对电子元件的威胁。等电位联接是DCS系统免遭雷击的重要措施。如果DCS系统无法和防雷系统的接地系统进行等电位联接时，两接地系统的距离应小于20米，当有电缆靠近引下线敷设时，电缆和引下线间须保持2米以上的距离。

3.信号传输线屏蔽层接地

对于信号电缆，屏蔽层接地可以有效的抑制静电感应和电磁感应，因此信号传输线屏蔽层的接地是非常重要。根据现场检测发现，较多情况下，DCS系统信号传输线缆屏蔽层的接地都是一端接地,另一端悬空。单端接地只能防静电感应,抑制不了由于电磁感应所产生的干扰,无法防止雷电波的侵入。为此,除了内屏蔽层的一端做等电位联接外,还应增一外屏蔽层，且两屏蔽层之间用绝缘材料隔开。外屏蔽层至少在两端作等电位联接。当发生雷击时,外屏蔽层与地构成了环路,感应出电流。该电流产生的磁通抵消或部分抵消源磁场强度的磁通,从而抑制或部分抑制无外屏蔽层时所感应的电压。通常利用穿金属管作为外屏蔽层,但必须保证金属管与金属管保持良好的电气联通且两端接地。

4.合理布线

不同类型的信号要求用不同电缆传输，电缆应根据传输信号的种类分层敷设，为了减少电磁干扰，严禁用同一电缆的不同导线同时传输电源和控制信号，尽量避免信号线缆和动力电缆靠近平行敷设

（1）控制系统的信号电缆和避雷带保持一定的距离。在条件允许情况下将通信电缆穿金属管或是金属桥架重新敷设,并保持和避雷带、引下线相隔3米以上的距离,同时金属管或是金属桥架两端做可靠接地, 金属管或是金属桥架应保持良好的电气连通。

（2）改用光纤作为控制系统的通信线路，在敷设光缆时,光纤的金属加强金属线采取可靠接地措施。

5.加装浪涌保护器

按照发生雷击事故的可能性、后果和经济成本，在必要的地方合理安装浪涌保护器（SPD）。SPD是一种限制瞬态过电压和分走电涌电流的器件，它在最短时间内将线路上因感应雷产生的浪涌电流释放到地网，使建筑物内各点之间电位差基本保持不变，从而保护设备。

6.做好接地系统的定期维护保养工作

认真按照石化行业及国家防雷规范标准要求，做好接地系统的定期检查保养工作，每年雷电到来前：（1）定期对接地网的完好程度、接地电阻大小等进行检测，如控制系统等电位连接、屏蔽的情况，确认系统接地、屏蔽状况符合设计要求；（2）对投产多年的厂矿，有必要开展接地网寿命周期、自动控制系统雷击损害的风险评估等工作，发现问题及时整改。（3）认真检查露天安装设备的壳体、屏蔽电缆、走线槽等接地状况，严防接地线松动、虚焊、锈蚀、接地电阻过大等异常情况的发生。

四、结束

石化企业随着经济发展，其生产自动化程度日益增高，但自动控制系统属于电子化、集成化、智能化设备，绝缘强度低，对雷电感应和雷电流耐受能力差，一旦遭受雷击，容易因雷电感应而导致系统失控或是损坏，根据石油化工生产的具体环境，灵活采用屏蔽，等电位连接、综合布线、安装SPD等有效措施，对石化DCS系统的防雷提供了借鉴方法，以减少雷电灾害对控制系统的危害，确保石油化工企业的正常生产。

参考文献：1.《建筑物设计规范》（GB50057-94）

2.电子信息系统接地抗干扰技术探讨 徐晓莹

3.乌石化防雷检测方法及要点 赵飞基

4.对防雷检测工作中几个实际问题的探讨 潘忠

作者简介：李杰（1982-），男，江苏连云港，学士，助理工程师，主要从事雷电防护工作。

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