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仪表防雷工程设计与实施

2021/1/5 0:44:09 人评论 次浏览 分类:过程控制  文章地址:/tech/3535.html

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
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
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GB50057-2010《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/T3164-2012《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。

3.4 仪表系统防雷设计规范

GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》是重要的参考规范,但该规范没有规定石油化工仪表系统相应的防雷工程方法。GB 50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》主要规定了电信系统等的防雷技术,没有规定仪表系统以及爆炸危险环境仪表的防雷工程方法。

《石油化工仪表系统防雷设计规范》是在雷电防护的理论基础上,根据近20年来石油化工工厂仪表及控制系统,特别是大规模仪表系统防雷工程的实施、实践和行之有效的方法进行编制及修订,以期指导工程设计和建设,预防、减少和消除雷击事故和损失。该规范以简明、实用为宗旨,明确基本概念,编制了易于遵循的工程设计规定,注重操作、实施和执行,规定了通用的、可行的工程方法,适用于石油化工企业的仪表系统的防雷工程,填补了目前国内其他防雷规范没有涉及的范围和没有解决的问题。


4、仪表防雷工程接地系统

4.1 控制室仪表接地结构
4.1.1 网型结构
良好有效的接地系统是泄放雷电流的基础条件。控制室仪表防雷接地系统应采用网型结构的接地系统,适用于各类装有单体仪表或仪表系统设备的房间或建筑物。

控制室的保护接地、工作接地、本质安全接地、屏蔽接地、防静电接地、电涌防护器接地等仪表系统接地均应就近接到网型结构接地系统。网型结构避免了接地结构的复杂和不确定性,彻底解决了接地系统的雷电流泄放、地电位差、接地线过长、地线感抗、地电流干扰和多功能接地功效的问题,并且使施工简便易行。


网型结构采用多根接地排连接成网格的形式。接地排根据室内仪表机柜的排列在机柜下方成行设置,两排及以上机柜的接地排在两端及中间连接形成网格。网格行、列间距不大于5m。对于单排设备,可简化为单根接地排。典型的网型结构原理如图1所示。

图1网型结构原理示意
仪表系统的网型结构接地排与室外电气接地装置形成等电位接地网,也就是把接地网引到了室内。

4.1.2 网型结构接地排

网型结构的接地排采用截面积不小于40mm×4mm(宽×厚)的铜材或热镀锌扁钢焊接制作,安装在机柜底部支撑或支架上,可采用绝缘安装,也可采用非绝缘安装,安装高度应不妨碍仪表电缆的敷设、便于各接地线的连接施工。同一房间的网型接地排应延伸到室内所有的机柜下方,不得采用导线连接的多段式或串联链接式接地排。

网型结构的室内接地网采用至少4根截面积不小于40mm×4mm(宽×厚)的铜材或热镀锌扁钢接地连接导体经不同路径、不同方向(四角或四边)的连接方式分别接到电气接地装置引到室内的接地装置连接板。单边长度大于30m的室内接地网应增加接到电气接地装置的接地路径和接地装置连接板,并尽可能均匀分布。网型结构接地排的这些设置形成了雷电电涌泄放的良好条件和等电位接地网,适用于仪表系统所有种类的共用接地。


由电气专业在控制室内的适当位置设置与电气室外接地装置相连接的室内接地连接板。


同一房间的网型接地排应为一个网型结构,不同房间的网型接地排可合并为一个网型结构,也可分为两个网型结构。


仪表交流电源配电采用TNS系统的接地方式,来自供配电系统的地线(PE线)在仪表配电柜处接到网型接地排。


4.2 控制室仪表接地

4.2.1 仪表机柜及操作台
机柜内的工作接地和保护接地应按照图2机柜与图1所示网型结构接地方式就近接到下方的网型接地排,不再区分工作接地和保护接地。
机柜与网型结构接地示意
图2 机柜与网型结构接地示意

机柜内的电涌防护器接地导轨直接接到机柜下方的网型接地排或在机柜内就近接到保护接地汇流条;电涌防护器接地导轨与机柜可不采用绝缘安装。机柜的柜体应连接到机柜内的保护接地汇流条。

沿着控制室操作台下方或电缆沟里敷设截面积不小于40mm×4mm(宽×厚)的铜材或热镀锌扁钢作为接地排,操作台接地按照图3所示,就近接到下方的接地排。

 操作台接地示意
图3 操作台接地示意

每台需要接地的仪表、设备、机柜、仪表盘、操作台、机架等均应采用接地线接到接地排,串联连接数量宜小于等于3。控制室内所有安装仪表的金属结构、支架、框架,以及金属活动地板等均应连接到网型接地排。

4.2.2 接地连接导体及导线

雷电流是高频强功率脉冲,接地连接的好坏直接影响雷电流泄放效果。由于线路的感抗对雷电流泄放的影响比线路电阻大得多,并且不能用增加导体截面积的方法有效地减少感抗的影响,所以接地导线的长度应尽可能短、尽可能直线敷设。

网型接地排的延伸和连接、接地排之间、接地排与连接导体之间、接地排与室内电气接地端子的连接采用截面积不小于40mm×4mm(宽×厚)的铜材或热镀锌扁钢作为连接导体,并采用直接焊接。这两种型材作为接地连接导体在石油化工工程中是实用价廉、简单易得、便于施工的材料,有足够的强度、截面积和电导率。


SH/T3164-2012规定接地连接线采用绝缘多股铜芯导线,截面积有以下几种:

1)单台仪表及现场仪表的接地导线:1.5-2.5mm2。
2)机柜内汇流导轨或汇流条之间的连接导线:2.5-6.0mm2。
3)机柜与网型接地排之间的连接导线:6.0-16.0mm2。
所有接地线的外表面颜色应为黄绿色相间或绿色。

4.2.3 接地连接方法

接地连接导线采用机械连接方法,采用铜或镀锡铜连接片实现可靠、良好的压接,并采用带有防松垫片的镀锌钢螺栓压接固定。同一压接点的压接导线不得多于2根。

接地连接导体之间的连接、接地连接导体与接地排的连接采用至少三边焊接的方式,焊缝总长度大于160mm,焊接部位做防腐处理;不得采用导线及接线片压接的方式。


接地连接导体与电气接地板可以采用带有防松垫片的镀锌钢螺栓压接的方式连接。


4.2.4 电缆敷设路径

为减少导线感抗的影响,接地导线应尽可能短,并采用直线路径敷设。不得保留多余导线或将导线盘成环状。
为了减少强电流的影响,仪表信号电缆路径与建筑物防雷引下线、大电流、高电压电气设备线路交叉敷设或平行敷设的间距限制见表3所列。
表3信号电缆路径与防雷引下线等的敷设间距 m

4.2.5 接地标志

控制室内的各类接地导线、接地连接导体、接地排等的施工要易于检查和维护,并设置明显标志。通向室外接地装置的连接点或与电气接地的连接点应设置明显的标志。

5、电涌防护器的类型和参数

5.1 电涌防护器的作用
电涌防护器是由非线性开关效应的电流泄放和电压限制器件所组成,是贴近被保护仪表的最有效的电涌防护设备。仪表防雷工程均应设置电涌防护器,不应以其他防雷方法代替电涌防护器。

雷击试验证明设置电涌防护器是保护仪表不受雷电电涌的冲击,减少仪表损坏和相关损失的有效措施,是其他防雷措施不能代替的,是防雷工程的重要组成部分。其他防雷工程措施能减轻雷电电涌强度,但不能实现最终的防护,而电涌防护器的设置也需要接地系统和正确连接来配合工作。


电涌防护器采用免维护型。可采用带监测功能的电涌防护器并配置相应的集中监测设备。电涌防护器不应影响和改变仪表系统的特性,应按产品批次检验参数和性能,并应具有检验合格证。


5.2 类型

电涌防护器按用途分类,常用的有:信号仪表类、网络通信仪表类、直流电源类、交流电源类等。电涌防护器的选型应根据防护目的、信号类型、安装地点、安装方式确定。

标称供电电压为24V(DC)的两线制、三线制、四线制的4-20mA信号仪表或其他信号类型的仪表,以及为单个仪表供电的24V(DC)直流电路应按信号仪表类配备电涌防护器;直流供电的四线制仪表因供电电流较小,视为两组信号通道,可采用双通道电涌防护器。其余仪表信号不得采用多信号通道的电涌防护器。


直流电源装置属于直流电源类,应按直流电源类配备电涌防护器;交流供电四线制仪表的交流供电应按交流电源类配备电涌防护器。仪表系统网络通信设备的电涌防护器应按通信线路类配备,规格及各项参数应适用于所连接的通信设备。通信线路是指仪表系统的控制网络、串行接口等的通信信号线路。


5.3 安装形式

电涌防护器有通用式、装配式和集成式。

通用式电涌防护器是非防爆结构、安装在环境条件较好场所的电涌防护器,通常用于室内安装;装配式电涌防护器是可以直接安装在仪表本体上、不改变仪表防护结构和防爆结构的可以拆卸的电涌防护器;集成式电涌防护器是集成在仪表内部的电涌防护器。由于各仪表制造商设置的集成式电涌防护器性能和规格参差不齐,时有影响防雷效能的事件,因此,当现场仪表不能安装装配式电涌防护器时,才采用集成式电涌防护器,并应注意其技术规格。


5.4 信号线路电涌防护器的参数

规范规定的电涌防护器参数均为留有余量的参数,试验和实践证明充分有效。所谓高于规范规定参数的电涌防护器均视为符合规定,不意味着性能更优异。

规范规定的电涌防护器的参数有:最大持续运行电压Uc、额定工作电流IN、标称放电电流In、电压保护水平Up、最大漏电流Ic、响应时间、工作频率等。


5.5 仪表电涌防护器设置

5.5.1 设置原则
电涌防护器的设置应当考虑综合经济损失。例如:单台现场测量信号仪表损坏所造成的直接经济损失小于电涌防护器价值的,现场测量仪表端可不设置电涌防护器;控制室仪表或信号处理仪表损坏所造成的装置综合经济损失小于万元的(非定量数值),现场测量仪表和控制室仪表两端均可不设置电涌防护器。

现场测量仪表设置电涌防护器的信号回路,在控制室内的仪表也应设置电涌防护器。


仪表系统的雷电防护与仪表系统的防爆类同,不应假定某些仪表不会受到电涌影响就不设电涌防护器,应当从工厂区域、装置生产和仪表系统整体安全考虑设防。


5.5.2 相关概念参考值

当信号电缆在室外地面以上敷设的水平路径长度大于100m或地面上垂直高度大于10m时,现场测量仪表端和控制室信号接收仪表应设置电涌防护器。这两个数值仅为概念参考值,并没有数值定量意义。

5.5.3 设置电涌防护器的现场仪表类型

符合上述设置原则和相关概念参考值的,或罐区中的下列现场仪表端均应设置电涌防护器:变送器等转换成电信号的电动、电子测量仪表,电气转换器、电气阀门定位器、电磁阀、电动执行机构等电信号执行器类,热电阻,电子开关,继电器,网络及通信设备,其他对雷电电涌敏感或承受能力差的仪表。

5.5.4 不设置电涌防护器的仪表类型

不设置电涌防护器的仪表如下:热电偶,机械触点开关、按钮,光缆终端,其他能够承受雷电电涌的仪表。

5.5.5 交流供电的防雷

为仪表供电的交流配电设备的防雷设计由电气专业按相关电气标准和规范实施。
在需要设置交流配电设备电涌防护器的场合,按电气专业的规范配置。工程实施时仪表专业向电气专业提资料,由电气专业实施。

6、控制室仪表系统防雷

6.1 机柜屏蔽
控制室仪表安装于钢板材料的机柜或金属外壳内,机柜的门、顶、底等活动部件采用截面积不小于2.5mm2绝缘多股铜芯电线或其他有效的方式与机柜进行导电连接;机柜应与机柜内的保护接地汇流条相连接。

钢板材料机柜是很好的物理防护体,同时也是电磁屏蔽体,这是分散控制系统、可编程序控制器等常用控制设备的优点。由于控制室仪表采用了金属材料的机柜、机壳等,又实施了接地,具有较好的屏蔽效果,控制室(包括机柜室)不再需要昂贵、复杂的建筑物电磁屏蔽。如果机柜室下方没有干扰源并处于建筑物底层,机柜底部可以不封闭。


6.2 配备电涌防护器

电涌防护器是室内仪表系统雷电防护不可替代的专用有效设备,不仅可以防御雷电电涌,也可以防御沿线路入侵的直击雷电流。电涌防护器安装在机柜内。仪表电缆进入控制室后,先接电涌防护器,再接后续仪表系统。

6.3 泄放电涌电流

电涌防护器的重要作用之一是将沿线路来的大部分雷电流泄放入地,所以需要有效地接地。控制室内安装的电涌防护器采用导轨安装型,并以此安装导轨作为接地汇流条。电涌防护器接地导轨直接或通过机柜内的保护接地汇流条就近接到机柜下方的网型接地排,实现短距离连接。

7、现场仪表防雷

7.1 雷击防护
现场仪表的雷击防护采用屏蔽、接地及安装电涌防护器的方法。常用仪表的金属外壳并非全封闭,多为铝质外壳,不利于雷电防护,因此仪表应避免安装在设备顶端、突出位置而成为接闪物体。当仪表的安装位置有可能使仪表形成接闪物体又不能移位时,可将仪表装在钢板材质的保护箱或防护罩内,箱体接地。

7.2 现场仪表电涌防护器

现场仪表采用装配式电涌防护器,对于不便采用装配式电涌防护器的仪表也可采用内置集成式电涌防护器。对于罐区常用的雷达液位计、伺服液位计、电动阀等仪表,可采用内置式电涌防护器便于成套和安装。

装配式电涌防护器安装在现场仪表的空置进线口或在进线口外配的三通接口上,这是一种较好的安装方式。外配的三通接口采用密封螺纹安装结构,例如: NPT锥管螺纹。


装配式电涌防护器的接线应尽可能短,不应弯曲或有多余的长度。线—地保护型、线—线加线—地保护型电涌防护器的接地连线在仪表内部与接地端子相连接;用于线—线保护的电涌防护器一般没有接地线,不用接地。


防爆现场仪表装配电涌防护器不应改变仪表本体的防爆结构;安装在仪表进线口上的隔爆型的电涌防护器应取得中国相关认证机构的防爆合格证。


7.3 现场仪表接地

现场仪表的金属外壳通过接地螺钉和接地线与安装支架相连,安装支架、仪表保护箱、接线箱及机柜的金属外壳就近与电气接地设施连接或与接地的金属体相连接。金属设备、容器、塔器和操作平台上的现场仪表利用设备和操作平台进行等电位连接。可以利用仪表电缆金属保护管作为接地连接中的某段导体。位于爆炸危险场所的仪表及金属支架等接地是为了避免雷电流在金属间隙处引起火花。

8、电缆的屏蔽与接地

8.1 电缆的屏蔽
8.1.1 屏蔽层的作用
电缆屏蔽可以减少电场和电磁场的干扰作用,对电场干扰比较有效,而对电磁场的屏蔽作用有限,特别是雷电产生的高频电磁场的屏蔽作用更小。

8.1.2 接地的作用和方式

电缆屏蔽层的接地是实现屏蔽作用的条件之一,为了避免异地之间的地电位差产生的电流流过屏蔽层对芯线产生干扰,采用屏蔽层单端接地的方式。

如果利用电缆屏蔽层减少雷电电磁感应对电缆的影响,可以采用屏蔽层两端接地的方式。雷电电流在电缆屏蔽层接地回路产生的电磁场,可以部分抵消原雷电的电磁场,减少信号线雷电电涌的强度。


解决该矛盾有两种办法:第一种是在电缆的一端直接接地,在另一端通过电涌防护器或合适的电容接地。对直流和低频电流,电容呈现出较高的容抗;对高频电流,电容呈现出较低的容抗,形成通路。第二种办法是采用双层屏蔽,内层屏蔽单端接地,外层屏蔽两端接地。


8.2 屏蔽方式

8.2.1 外层屏蔽
电缆外层屏蔽可以利用以下方式:电缆保护钢管、金属电缆槽,金属铠装屏蔽电缆的铠装层,分屏蔽加总屏蔽电缆的总屏蔽层。

石油化工工厂的仪表电缆采用穿钢管、电缆槽盒或铠装的方式实现机械防护,也为电缆外层屏蔽提供了条件。所以,现场仪表的配线和室外敷设的信号电缆、通信电缆和电源电缆采用屏蔽电缆穿钢管或封闭金属电缆槽的方式敷设,或采用铠装电缆,不需要穿钢管或封闭金属电缆槽敷设。


仪表电缆槽采用钢板或铝合金板封闭结构,当采用非金属材料电缆槽时,可采用带有金属板内衬或夹层的结构。


保护钢管和金属电缆槽宜全程封闭,钢管与仪表、钢管之间、钢管与电缆槽、电缆槽盒之间避免露空,并进行良好的电气连接,否则在分断处分别接地。


8.2.2 内层屏蔽

电缆内层屏蔽直接利用屏蔽电缆本身的屏蔽层:单层屏蔽电缆的屏蔽层,金属铠装单层屏蔽电缆的屏蔽层,分屏蔽加总屏蔽电缆的分屏蔽层。

8.3 屏蔽层的接地

8.3.1 接地方式
电缆各种屏蔽方式的接地工程实施可采用的接地方式见表4所列。
表4 屏蔽的接地方式

电缆的外屏蔽应至少在两端就近接到保护接地,或与接地的金属设备、结构、框架进行电气连接。电缆的内屏蔽应在控制室一侧接到保护接地或工作接地,已经在现场仪表处自然接地的屏蔽层不在控制室一侧重复接地。


由于屏蔽层在电缆的哪一端接地对于屏蔽效果区别不大,为便于接地工程实施,规定在控制室一侧接地。屏蔽接地既不是保护接地,也不是工作接地,可以根据情况接到保护接地或工作接地,效果是一样的。


8.3.2 接续电缆的屏蔽接地

当采用多芯电缆时,现场采用仪表接线箱实现分支电缆连接。这种多芯电缆接续分支电缆的屏蔽层可以接续,也可以分段。进出仪表接线箱的屏蔽电缆的内外屏蔽层在接线箱和机柜处的接地方法可参见SH/T 3081—2019附录A。

8.3.3 连接方法

屏蔽层接地的连接方法本文不做叙述。

8.4 其他相关处理

8.4.1 铠装光缆的金属铠装层
铠装光缆的金属铠装层终端采用带有接地线的铠装接头在光缆终端处接保护接地;光缆中的金属芯和金属保护层在终端处接保护接地并进行绝缘处理。

8.4.2 备用电缆及电缆备用芯

备用电缆的屏蔽层、不带屏蔽层的电缆备用芯宜在控制室一侧接到保护接地。
屏蔽层已接地的屏蔽电缆、穿钢管敷设或在金属电缆槽中敷设的电缆的备用芯可不接地,应在电缆终端处进行绝缘处理。

8.4.3 电缆进入控制室

如果建筑物附近具备电缆埋地敷设条件,仪表电缆可采用穿钢管或金属电缆槽埋地敷设方式进入建筑物,在入口处室外的埋地长度大于15m,并且越长越好。仪表电缆槽或保护管在进入控制室入口处应在室外与电气接地板连接。

9、本质安全系统防雷

9.1 本质安全系统的电涌防护器
9.1.1 本质安全特性
用于爆炸危险环境的本质安全系统的电涌防护器应通过中国国家测试机构取得相关危险区域的本质安全认证。电涌防护器的本质安全认证仅涉及电涌防护器为本质安全仪表。本安型电涌防护器应符合本安设备的设计和制造标准。

同一本安线路中的现场仪表电涌防护器和控制室端电涌防护器,如果不是无电容及电感的“简单设备”,则本安线路的工程设计要包括两者的本安参数。安装在安全场所的电涌防护器不需要本安关联仪表的认证。


9.1.2 工作特点

电涌防护器不是本安系统的安全栅,二者工作原理、元器件规格、工作频率、工作参数完全不一样,不能互相代替。安全栅是低频小功率器件,用于限制通向爆炸危险场所的电能,防止引燃爆炸危险场所的可燃气体。

电涌防护器的防护对象是室外雷电产生的高频强功率电流。电涌防护器的作用是把电涌泄放入地,防护雷电电涌对仪表的冲击,消除或减少雷电电涌对仪表造成的损坏。


9.2 电涌防护器的安装

控制室内或现场机柜内等本安回路中的安全区域内,保护室内控制系统的电涌防护器应安装在室外电缆到安全栅之间。电涌防护器和安全栅可以分别安装在不同的机柜,但宜安装在同一机柜。在同一机柜安装时采用电涌防护器导轨和安全栅导轨并排安装的方式,使电涌防护器与安全栅之间的接线较短,并节省安装空间,但二者不应安装在同一个导轨上。

9.3 接地连接

齐纳式安全栅需要接地,隔离式安全栅不需要接地。安全栅接地汇流导轨的接地线可接到电涌防护器的接地导轨或机柜的仪表保护接地条。本安系统接地既不是仪表工作接地,也不是保护接地。通过接地系统既与保护接地连接也与仪表工作接地相连。

由于采用网型接地结构,接地导线较短,这种接地方式具有较小的连接阻抗,不必再考虑本安连接电阻的测量,因此本安接地路径的连线不再需要采用2根导线。


10、现场仪表总线系统防雷

现场总线系统的防雷本文不做叙述。

11、控制系统建筑物防雷设计

11.1 控制室建筑物防直击雷设计
控制室建筑物的防雷设计不是仪表专业的工作范围,是由仪表专业提出条件,由相关专业设计。

11.1.1 接闪器

控制室建筑物按GB50057-2010第二类防雷建筑物的规定采取防直击雷措施。控制室建筑物接闪器采用GB 50057—2010第二类防雷建筑物的接闪网方式,接闪网应沿控制室建筑物的外墙四周均匀对称布置不少于4根专用引下线,间距不应大于18m。

11.1.2 接地装置和接地板

由于控制室仪表系统接地网的需要,应围绕控制室建筑物设置环形接地装置。接闪网引下线就近直接接入接地装置。控制室建筑物的钢筋等金属体不作为防直击雷装置的引下线。控制室内四周需要预留不少于4处的接地装置接地连接板,较大的控制室应适当增加连接板。控制室外电缆进入控制室入口也要留有接地板。

11.2 控制室内的相关设计

控制室建筑物宜采用钢筋混凝土结构。建筑物的金属构件、门窗框架及建筑钢筋等应在建设时就进行等电位连接。安装仪表系统的控制室、机柜室位置宜选择在建筑物底层。

仪表系统设备与建筑物外墙的净距离应大于2.0m。对于抗爆结构建筑物,仪表系统设备与建筑物外墙的净距离应大于1.5m。

作者:叶向东,现就职于中国石化工程建设有限公司,任副总工程师,教授级高级工程师

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