石油化工仪表系统如何防雷？

石油化工仪表系统防雷

石油化工系统
防雷术语介绍
控制室建筑物防雷设计
仪表系统防雷工程方法
等电位接地系统设计
控制室仪表系统防雷
电涌保护器的设置
现场仪表的防雷
本质安全系统的防雷
电缆的敷设和屏蔽
现场总线系统的防雷
防雷术语介绍
综合防雷工程
1、接闪器 Air-termination system
用于直接接受或承受雷击的金属物体和金属结构，如：避雷针、避雷带（线）、避雷网等。
2、引下线 Down conductor system
连接接闪器与接地装置的金属导体。
3、接地装置 Earth termination system
接地体和接地体连接导体的总和。
4、接地体 Earth electrode
埋入地中直接与大地接触的金属导体。也称接地极。直接与大地接触的各种金属构件、金属设施、金属管道、金属设备等可以兼作接地体，称为自然接地体。
5、接地体连接导体 Earth conductor
从电气设备接地端子接到接地装置的连接导线或导体，或从需要等电位连接的金属物体、总接地端子、接地汇总板、总接地排、等电位连接排至接地装置的连接导线或导体。
6、 直击雷 Direct lightning flash
直接击在建筑物、大地或防雷装置等实际物体的雷电。
7、地电位反击 Back flashover
雷电流经过接地点或接地系统而引起该区域地电位的变化。地电位反击会引起接地系统电位的变化，可能造成电子设备、电气设备的损坏。
8、雷电防护系统 Lightning protection system（LPS）
减少雷电对建筑物、装置等防护目标造成损害的系统，包括外部和内部雷电防护系统。
8.1 外部雷电防护系统 External lightning protection system
建（构）筑物外部或本体的雷电防护部分，通常由接闪器、引下线和接地装置组成，用于防直击雷。
8.2内部雷电防护系统 Internal lightning protection system
建（构）筑物内部的雷电防护部分，通常由等电位连接系统、共用接地系统、屏蔽系统、合理布线
雷电电磁感应
1、雷电感应 Lightning induction
闪电放电时，在附近导体上产生的静电感应和电磁感应。
2、 雷电电磁感应 Electromagnetic induction
雷电流在周围空间产生瞬变电磁场以及在此电磁场中导体产生感应电动势的现象。
3、 电磁屏蔽 Electromagnetic shielding
采用能够减少电磁场通过的材料对所防护目标的屏障。
4、 雷电电涌 Lightning Surge
由雷电电磁感应产生的沿导电线路传导的脉冲形态的电流、电压。也称雷电浪涌。
等电位连接系统
1、等电位连接 Equipotential bonding
将各种金属构件、金属设施、金属管道、金属设备等导电物体用导线或导体实现导电连接，使各物体之间具有近似相等的电位。
2、等电位连接排 Equipotential bonding bar
将金属构件、金属设施、金属设备、金属管道、配电系统接地、信号系统接地、屏蔽接地等导线或导体连接、汇合，并与接地装置连接的条形金属板。
3、 接地汇流条 Bonding bar
汇集连接各接地线的机柜内安装或规格比较小的条形金属。根据其用途可分为工作接地汇流条、保护接地汇流条等。
4、 接地排 Bonding bar
汇集连接各接地线的规格比较大的条形金属。也称接地汇总板。根据其用途和形状有总接地排、延长型接地排等。
5、接地连接导体 Bonding conductor
用于连接各分开设备、接地排等，形成接地系统的导体。
6、共用接地系统 Common earthing system
将包括防雷系统及低压配电系统接地的各类接地设施、接地连接、接地设备、等电位连接系统及接地装置连接成一个接地系统，合用接地装置。
电涌保护器
1、电涌防护器 Surge protective device（SPD）
用于限制瞬态过电压和分流电涌电流，保护电气或电子设备的器件。也称雷电浪涌防护器、浪涌防护器。
2、最大持续运行电压 Maximum continuous operating voltage（Uc）
电涌防护器的最大持续运行电压Uc指允许持续加在电涌防护器的最大电压，也称最大工作电压。
3、标称放电电流 Nominal discharge current（In）
电涌防护器的标称放电电流In指电涌防护器不损坏的最大电涌电流（Max. Anti-surge Current Capacity），即电涌防护器在通过标准实验波形电流和规定实验次数时，电涌电流的最大泄放能力。
4、 电压保护水平 Voltage protection level（Up）
电涌防护器的电压保护水平Up 指电涌防护器在通过8/20μs标准实验波形，泄放电涌电流时，在电涌防护器后端所呈现的最大电压峰值，即残余的电压，也称限制电压。
5、响应时间
在特定的电流和特定的温度下限流元件动作所需要的时间
6、限压型SPD
这种SPD在无浪涌存在时呈现高的分流阻抗，但随着浪涌电流和浪涌电压的增加其阻抗会不断减少。常见元件有：压敏电阻和钳位二极管。
7、电压开关型SPD
在无浪涌时呈现高阻抗，当出现电压浪涌时其突变为极低阻抗的SPD。常见元件有：放电间隙、气体放电管和晶闸管。
8、额定电流
一个限流SPD在不引起限流元件动作特性产生变化的能持续通过的最大电流。
控制室建筑物防雷设计
控制室建筑物防直击雷的设计
控制室建筑物防直击雷装置由建筑专业和电气专业按GB50057《建筑物防雷设计规范》及电气专业有关规范进行设计。
控制室建筑物应按GB50057《建筑物防雷设计规范》第一类防雷建筑物的规定，采取防雷措施。
控制室建筑物接闪器应采用避雷网方式，不设避雷针。避雷网格尺寸不应大于5×5m²或6×4m²。
避雷网应设置多根专用引下线，间距不应大于12m。避雷网引下线宜设置在控制室建筑物的外墙四角。
控制室建筑物的钢筋等金属体不宜作为防直击雷装置的引下线。
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进行等电位连接。
安装仪表系统的控制室、机柜室不应向建筑物外开窗、开门。位置宜选择在建筑物底层的中心部位。
仪表系统设备的安装位置距建筑物外墙的内壁距离应大于1.5m。对于抗爆结构建筑物，仪表系统设备的安装位置距建筑物外墙的内壁距离应大于1.0m。
仪表系统防雷工程方法
综合防护
仪表系统防雷工程是一项系统工程，应采用综合防护的方法，由多专业配合完成。
仪表系统防雷工程是在建筑物防雷工程和供电系统防雷工程的基础上进行的，有些工程内容是交叉的，凡涉及到这两类工程的，均应执行相应专业的规范。
仪表系统雷电防护主要采用外部雷电防护和内部雷电防护措施进行综合防护。
外部雷电防护措施包括接闪器、引下线、接地装置和控制室的屏蔽等。
内部雷电防护措施有信号线路的防护和供电线路的防护，包括电线电缆的屏蔽、机柜的屏蔽、等电位连接、合理布线、配备雷电电涌防护器（SPD）以及提高仪表系统的抗干扰度等。
无论是现场仪表还是控制室仪表，都应在直击雷防护范围内。
与仪表相关的综合防雷工程包括建筑物、装置及设备、供配电防雷工程和仪表系统防雷工程等。仪表相关的综合防雷工程的基本内容见图5.2。

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等电位接地系统的设计

接地系统的构成
仪表系统防雷工程的接地系统分为室内和室外两部分。
室内仪表接地系统适用于各类控制室、现场机柜室、现场控制室等
室外仪表接地系统适用于现场仪表、现场接线箱、现场机柜以及分析小屋等。
仪表系统防雷工程的接地系统应采用等电位连接方式。
仪表系统防雷工程的接地系统与仪表接地系统相同，由接地装置和接地连接系统构成。
接地装置共用电气专业的接地装置。
雷电电涌接地排

电涌防护器的接地基本原理

电涌防护器的机柜内接地连接

电涌防护器机柜内接地连接应采用图6.5.2的方式。

注：图中控制系统机柜是电涌防护器机柜的相关机柜。凡控制系统机柜的信号线路中设置电涌防护器的，即与电涌防护器机柜有线路联系的机柜，均为电涌防护器机柜的相关机柜。
当机柜数量较少时，应采用控制系统机柜的工作接地汇流条与电涌防护器机柜的工作接地汇流条直接连接的方式。连接路径宜为直线，连接导线长度不宜大于3m。

控制室仪表系统的防雷
非本安系统的接地连接
图7.5为电涌防护器在非本安系统机柜安装的接地原理图，电涌防护器通过安装导轨（导流条）接地。也可以通过专设的汇流条接地。

电涌保护器的设置
概述
电涌防护器是保护仪表不受雷电电涌电流的冲击，减少仪表损坏和相关损失的有效措施之一，但电涌防护器的设置只是防雷工程的一部分，不应以设置电涌防护器来代替防雷工程。
电涌防护器的设置应遵循设计原则。不够防雷等级的区域和控制室不应设置电涌防护器。
仪表系统的电涌防护器应采用免维护型。
仪表系统的电涌防护器出厂前应通过参数试验，并应具有检验合格证。品种应通过权威检验部门的参数试验，并有检验报告。
现场仪表端设置电涌防护器的信号回路，在控制室内的仪表系统端也应设置电涌防护器。
电涌防护器的设置原则
1、应用防护距离
电涌防护器的应用防护距离是指室外任意两仪表或设备间的直线距离。
当信号电缆在地面以上敷设的水平直线距离大于100m或垂直距离大于10m时，现场仪表和控制室仪表两端宜设置电涌防护器。
2、设置电涌防护器的仪表
1）安全仪表系统的现场仪表端应设置电涌防护器；
2）变送器现场端应设置电涌防护器；
3）电气转换器、电气阀门定位器、电磁阀等现场电信号执行器类仪表端应设置电涌防护器；
4）热电阻现场端应设置电涌防护器；
5）电子开关现场端应设置电涌防护器；
以上各项的控制室端都应设置电涌防护器。
3、不设置电涌防护器的仪表
1）热电偶现场端可不设置电涌防护器；
2）触点开关现场端不应设置电涌防护器；
3）配电间及电气控制室来的机泵信号可不设置电涌防护器。
电涌防护器的类型
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24VDC的两线制、三线制、四线制的4~20mA信号仪表，回路直流电源线属于信号供电，应为信号仪表类型，不属于直流电源类，应按信号仪表配备电涌防护器。
直流电源装置属于直流电源类，应按直流电源配备电涌防护器。
交流供电四线制仪表的交流供电应为交流电源类，应按交流电源配备电涌防护器。
不应采用多信号通道的电涌防护器。
正确选择的电涌防护器无论用于防护交流供电系统、信号数据系统，（例如：现场总线、4～20mA、电信电话及网络通信等），都不应影响和改变应用系统的特性和可靠性。
信号线路电涌防护器的参数
1、最大持续运行电压Uc
最大持续运行电压Uc即最大工作信号电压（Working Voltage），是电涌防护器长期工作的最大信号电压有效值或直流电压。这也是在额定漏电流条件的线间或线与地之间的不影响其所在电路正常工作的最大电压。
对于24V直流供电仪表，由于直流电源电压波动及负载变化等因素影响，最大信号电压的数值为：30~36V DC，因此，最大持续运行电压为：Uc≥36 V。
2、最大信号电流Ic
最大信号电流（Working Current）是电涌防护器所在线路的最大工作信号电流。
对于两线制、三线制、四线制的4~20mA信号仪表（包括HART通信信号），最大信号电流的数值为：Ic≥150mA。
对于24V直流供电线路，如电磁阀、超声波仪表、可燃气体检测器等仪表，最大信号电流的数值为：Ic≥600mA。
3、标称放电电流In
标称放电电流In是电涌防护器正常通过的最大电涌电流（Max. Anti-surge Current Capacity ）kA（ 8/20μs），是指电涌防护器在通过8/20 μs标准实验波形电流规定实验次数时时，不损坏电涌防护器的最大泄放电流。对信号仪表来说，标称放电电流In大于1kA即可满足一般防护要求。可选用5kA、10kA等规格。
信号线路电涌防护器的参数
4、电压保护水平Up
电压保护水平是电涌防护器在释放电涌电流时的钳制电压值，也称为通过电压或限制电压。这是在通过6kV/3kA 8/20μs电涌波形发生器或其他规定的实验电压电流时，电涌防护器输出端的电压峰值。
对24VDC工作电压的仪表，电涌防护器的电压保护水平应为60V。选择适用的电涌防护器的限制电压值不宜太高，一般在所防护的设备的工作电压或信号电压的2~2.5倍左右。电压保护水平应小于被保护仪表的承受电压。
5、响应时间
响应时间是标准实验波形电压开始作用于电涌防护器的时刻到电涌防护器实际导通放电时刻之间的延迟时间。信号类电涌防护器的响应时间应≤5ns。
6、工作频率
工作频率是连接电涌防护器的线路在正常工作时通过信号的最高工作频率。对于仪表信号，包括“智能”仪表，工作频率为20kHz以下，通常可以不计。
现场仪表的防雷
现场仪表的防护
现场仪表的电涌防护应采用屏蔽、接地及安装电涌防护器的方法。
现场仪表的金属外壳、金属保护箱应为全封闭式。
需要进行雷电防护的非金属外壳的仪表应装在钢板材质的仪表保护箱内。
现场仪表应避免成为接闪设备。
当现场仪表的安装位置有可能使其形成接闪物体，又无法移位时，应将仪表装在全封闭钢板材质的仪表保护箱内，箱体应按规范接地。
现场仪表的接地
现场仪表的金属外壳、仪表保护箱、接线箱及机柜的金属外壳应就近接地或与接地的金属体相连接。
现场仪表金属外壳可以通过金属安装支架或金属设备自然接地。
金属设备、容器、塔器和操作平台上的现场仪表应与设备和操作平台进行等电位连接。
位于1区爆炸危险场所的仪表及金属支架，应防止出现连接间隙，避免雷电流引起火花。
非金属设备顶部安装的仪表，应就近接地。
电涌防护器的现场安装
装配式电涌防护器应安装在现场仪表本体上。
当装配式电涌防护器不能安装在现场仪表本体，或采用通用式电涌防护器时，必须将电涌防护器安装在仪表保护箱、接线箱或专设的防护箱内。
安装电涌防护器的仪表保护箱、接线箱或专设的防护箱，必须符合安装地点的防护、防爆等级。
安装电涌防护器的仪表保护箱、接线箱应与被保护仪表尽可能接近。
分离安装的电涌防护器与被保护仪表之间的电缆应穿钢管（或小型电缆槽）敷设。安装电涌防护器的接线箱、保护箱、钢管及保护仪表应进行等电位连接并接地。
现场仪表电涌防护器的接线
装配式电涌防护器的两端接线的总长度不应大于0.5m。电涌防护器的接地连线应为截面积2.5mm2的多股绞合绝缘铜线。
现场仪表的电涌防护器的接地端子应与仪表外壳的接地端子相连接。
分离安装的电涌防护器与被保护仪表之间的接线长度不得超过5m，接地端子应就近接地。图9.5 为分离安装在保护箱中的电涌防护器与被保护仪表接线示意图。

本质安全系统的防雷
本安电路中电涌防护器的设置
1、控制室内电涌防护器
在本安回路中的安全区域内（控制室内或现场机柜内），保护室内控制系统的电涌防护器应安装在电缆进入控制室内或现场机柜内，连接安全栅之前。
电涌防护器的安装应符合本规范的规定。
在安全区，电涌防护器和安全栅可分别安装在不同机柜内，也可安装在同一机柜内，但不应安装在同一个导轨上。
机柜内与安全区关联和与危险区关联的电缆（及电线）应分开布线和敷设。
2、本安型现场仪表的电涌防护器
现场本安仪表宜采用专用于装在现场仪表本体上的电涌防护器，也可以使用内部集成电涌防护器的现场本安仪表。
在危险区，现场仪表的电涌防护器应符合本规范的规定。
本安系统的接地连接
1、隔离式安全栅的接地系统
隔离式安全栅不需要专门的接地连接，一般的仪表接地系统即可满足要求。
2、齐纳式安全栅的接地系统齐纳式安全栅的接地导流条应连接到共用接地系统。
设置电涌防护器的接地系统时，应符合齐纳式安全栅的接地连接规则。齐纳式安全栅的接地汇流排或接地导轨必须与直流电源的负极相连接。
电涌防护器的接地系统与齐纳式安全栅的接地系统，在直流电路上的连接结构是一致的。设置齐纳式安全栅的接地系统应兼顾电涌防护器的接地。
电涌防护器应采用与安全栅并排安装的方式，见图10.3.3。

图中安全栅和电涌防护器通过导轨（导流条）接地。也可以通过其他汇流条接地。
本安接地汇流导轨与电涌防护器的接地汇流导轨相连接，使本安接地与电涌防护器的接地电位相等。
电涌防护器的接地汇流导轨应连接到总接地排。
电缆的敷设和屏蔽
电缆的敷设
1、穿管敷设
现场仪表的配线应穿钢管或电缆槽敷设，不应采用绝缘材料管。钢管与仪表间、钢管之间、钢管与电缆槽之间应有良好的电气连接。
铠装电缆可以不穿钢管敷设。
2、仪表电缆槽
仪表电缆槽应采用封闭钢板结构。槽体和所有金属部件应全程电气连续。
3、电缆敷设路径
电缆与防雷引下线交叉敷设的间距应大于2m；平行敷设的间距应大于3m。当无法满足敷设间距时，应对电缆进行穿钢管屏蔽，屏蔽钢管应在两端接地。
当电缆穿钢管或在封闭金属电缆槽内敷设时，上述距离可以减半。
电缆的屏蔽
1、电缆屏蔽方式
凡室外敷设的电缆（包括信号电缆、通信电缆和电源电缆），应采用屏蔽电缆全程穿钢管或封闭金属电缆槽的方式敷设。
当采用金属铠装屏蔽电缆或采用互相绝缘的双层屏蔽电缆时，可以不采用穿钢管或封闭金属电缆槽的方式敷设。
2、电缆屏蔽的接地
外屏蔽层应至少在两端接地，内屏蔽层应在一端接地。
电缆的屏蔽
信号屏蔽电缆的内屏蔽层接地应单点接地，应根据信号源和接收仪表的不同情况采用不同接法。当信号源接地时，信号屏蔽电缆的屏蔽层应在信号源端接地，否则，信号屏蔽电缆的屏蔽层应在信号接收仪表一侧接地。

电缆的屏蔽

电缆的屏蔽

现场总线系统的防雷
总线控制器的防护
现场总线干线连接着主控制器的总线接口卡和现场的总线分支设备，总线干线两端（包括延伸段）应设置电涌防护器。
主控制器端的电涌防护为重要防护，总线接口卡端应安装信号线路类电涌防护器。
安装在现场的控制器，应在各总线信号线路入口设置电涌防护器，交流电源输入端应设置电源类电涌防护器。
现场辅助设备防护
现场总线分支设备包括分支模块、现场配电器、总线终端器等。
现场总线分支设备连接总线干线的输入端应安装电涌防护器。
如果现场总线分支模块是不带电子电路的简单连接型，则可以不设分支模块端的电涌防护器。
使用带电子电路（智能）分支模块的系统，如果分支距离大于本规范的限度，则在分支的起始端和仪表设备上都应安装电涌防护器。模块与干线的连接处也应安装电涌防护器。
现场总线终端器应安装信号线路类电涌防护器。
安装在现场的现场总线直流电源设备的交流供电端应设置电源类电涌防护器。
现场仪表防护
现场仪表及设备可以采用的电涌防护方式有：
1）由现场仪表制造厂装备内部集成电涌防护器；
2）在现场总线的分支设备中设置电涌防护器；
3）在变送器上装备专用的现场总线电涌防护器；
4）安装现场总线通用电涌防护器。
常规的通用电涌防护器不适用于现场总线系统，除非产品标明适用于现场总线。
现场总线电涌防护器的设置
现场总线系统的电涌防护器配置见图12.1.6-1、图12.1.6-2。
图12.1.6-1为简单连接型总线分支模块，不设分支模块端的电涌防护器。

 

 

图12.1.6-2为智能模块型总线分支模块，设置分支模块端的电涌防护器。

图中：注1为现场分支线路在地面以上敷设的水平直线距离大于100m或垂直距离大于10m，仪表设置电涌防护器；注2为现场分支线路不构成此条件，仪表不设置电涌防护器。