浅谈仪表的防雷接地.doc

浅谈仪表的防雷接地
孙颖
湖北化肥分公司仪表车间
电子邮箱：suny。hbhf＠sinopec。com
浅谈仪表的防雷接地
孙颖（湖北化肥分公司仪表车间）
摘要：雷电是自然界强大的脉冲放电现象，已经给人类造成了巨大的危害。近年来石油化工遭到雷击事故呈现上升趋势。雷电产生时，在其附近的导体上产生的雷电电磁脉冲，以电磁感应、静电感应等方式存在，给仪表系统的正常运行带来很大的危险，特别是随着工艺过程的俞趋复杂,控制系统集成化程度的提高，使控制系统对雷击的敏感性也在同步增长。在现在的石油化工行业，仪表的防雷和接地显得越来越重要。
关键词：仪表 化工 防雷 接地
一、 接地和防雷基础知识
（一）为什么要接地
接地技术的引入最初是为了防止电力或电子等设备遭雷击而采取的保护性措施,目的是把雷电产生的雷击电流通过避雷针引入到大地，从而起到保护建
筑物的作用。
同时，接地也是保护人身安全的一种有效手段，当某种原因引起的相线（如电线绝缘不良,线路老化等）和设备外壳碰触时,设备的外壳就会有危险电压产生,由此生成的故障电流就会流经PE线到大地，从而起到保护作用.
（二） 为什么要接地
在现代接地概念中、对于线路工程师来说，该术语的含义通常是‘线路电压的参考点’；
对于系统设计师来说,它常常是机柜或机架；
对电气工程师来说，它是绿色安全地线或接到大地的意思。
一个比较通用的定义是“接地是电流返回其源的低阻抗通道”.注意要求是”低阻抗”和“通路”。
（三） 防雷的主要措施-接地
（四） 接地的术语和定义
1、埋入地中直接与大地接触并与大地形成电气连接的金属导体，称为接地极或地体。
à 2、用来连接接地极与总接地板的导体，称为接地总干线（电气专业称为接地总线）
à 3、为了方便连接工作接地汇总板、保护接地汇总板等和接地总干线而设置的金属板,称为总接地板（电气专业称为总接地端子、接地母排）.
à 4、为便于连接保护接地干线等而设置的金属板,称为保护接地汇总板。
à 5、为便于连接工作接地干线而设置的金属板，称为工作接地汇总板。
6、用于连接多个同类接地汇流排、各需接地的设备与接地汇总板的导线,称为接地干线.接地干线也用于连接总接地板与工作接地汇总板或保护接地汇总板。
7、为便于连接工作接地干线而设置的金属板,称为工作接地汇总板。
à 8、用于连接多个同类接地汇流排、各需接地的设备与接地汇总板的导线，称为接地干线.
à 9、接地干线也用于连接总接地板与工作接地汇总板或保护接地汇总板。
à 10、根据接地工作原理和相关的国家标准、国际标准,规定了仪表及控制系统的工作接地、保护接地、防雷接地应共用一组接地装置。
（五） 接地电阻
仪表及控制系统的接地电阻为电气专业的低压配电系统接地装置的接地电阻,应根据电气专业有关标准规范确定，一般情况，不应大于4Ω。
à 接地装置的接地电阻的数值等于接地装置对地电压与通过接地极流入地中电流的比值。按通过接地极的工频交流电流计算出的电阻称为主频接地电阻.
à GB50057《建筑物防雷设计规范》规定了防雷接地的接地电阻为冲击接地电阻,规定的典型值为不大于10Ω。
à 根据GB50057规定：防雷电感应的接地装置应和电气设备
接地装置共用。
（六） 常见的接地符号
à PE,PGND,FG－保护地或机壳；
à BGND或DC—RETURN－直流－48V(+24V）电源（电池）回流；
à GND－工作地;
à DGND－数字地；
à AGND－模拟地；
à LGND－防雷保护地
（七） 合适的接地方式
接地有多种方式，有单点接地,多点接地以及混合类型的接地.
à 而单点接地又分为串联单点接地和并联单点接地。一般来说，单点接地用于简单电路，不同功能模块之间接地区分,以及低频（f〈1MHz）电子线路.
à 当设计高频（f〉10MHz）电路时就要采用多点接地了或者多层板（完整的地平面层）。
（八） 信号回流和跨分割的介绍
对于一个电子信号来说,它需要寻找一条最低阻抗的电流回流到地的途径，所以如何处理这个信号回流就变得非常的关键。
à 第一，根据公式可以知道，辐射强度是和回路面积成正比的，就是说回流需要走的路径越长，形成的环越大，它对外辐射的干扰也越大，所以，PCB布板的时候要尽可能减小电源回路和信号回路面积。
à 第二,对于一个高速信号来说，提供有好的信号回流可以保证它的信号质量，这是因为PCB上传输线的特性阻抗一般是以地层（或电源层）为参考来计算的，如果高速线附近有连续的地平面，这样这条线的阻抗就能保持连续，如果有段线附近没有了地参考，这样阻抗就会发生变化,不连续的阻抗从而会影响到信号的完整性。所以，布线的时候要把高速线分配到靠近地平面的层，或者高速线旁边并行走一两条地线,起到屏蔽和就近提供回流的功能。
à 第三，为什么说布线的时候尽量不要跨电源分割，这也是因为信号跨越了不同电源层后，它的回流途径就会很长了，容易受到干扰.当然，不是严格要求不能跨越电源分割,对于低速的信号是可以的，因为产生的干扰相比信号可以不予关心。对于高速信号就要认真检查,尽量不要跨越，可以通过调整电源部分的走线。
（九） 为什么要防雷
雷电对人类的生活和生产活动造成巨大的影响。雷电威胁着人类的生命安全，常使建筑、电力、电子、通信和航空、航天等诸多部门遭受严重破坏.随着高新技术的迅猛发展，由雷击引起的灾害事故正呈现出上升趋势。
à 近年来，石油化工企业的规模、数量不断扩大、增加，仪表系统向网络化、智能化方向迅猛发展,而仪表设备普遍存在绝缘强度低、过电压和过电流耐受能力差、对电磁干扰敏感等弱点，一旦仪表设备受到直接雷击或其附近区域发生雷击,雷电过电压、过电流和脉冲电磁场会通过供电线、仪表信号线、电缆汇线槽、穿线管等途径到达仪表设备,威胁仪表设备的正常工作和安全运行.
à 如果防护不当，轻则使仪表设备工作失灵，重则使仪表设备永久性损坏,严重时还可能造成人员伤亡、生产事故。
（十） 雷击对仪表系统的危害形式
雷击从形式上可分为直接雷击与感应雷击两种，对仪表系统可能产生的危害形式划分为下列几种.
à 1、直接雷击
雷电直接击中现场仪表设备或与之连接的管路,通常会损坏仪表的传感器模件并且可能损坏变送器的电子线路板。雷电流在沿仪表支架流入大地的过程中,产生强大的感应磁场，能通过信号传输线路耦合到控制室DCS 等电子设备内，损坏DCS 等电子设备.
à 2、感应雷击
(1）静电感应.当雷云来临时,地面物体，尤其是导体聚积大量电荷产生放电，放电电流若进入现场仪表和用电设备，造成设备损坏。
（2)电磁脉冲辐射。雷电流在其通道周围的空间产生电磁场，向外辐射电
磁波,耦合到控制室的计算机、仪表和现场仪器仪表，以及各类金属导体上，产生感应电动势或感生电流，造成设备故障，损坏以致控制系统失灵。
3、雷电过电压侵入
直接击雷或雷电感应都可能使导线或金属管道产生过电压，此雷电过电压沿各种金属管道、电缆槽、电缆线路就可能将高电位引入仪表系统，造成干扰和破坏.
à 4、反击
防雷装置接闪时,强大的瞬间雷电流通过引下线流入接地装置，由于大地电阻的存在,雷电电荷不能快速向大地泄放，必然会引起局部地电位上升（可能上百千伏）,如果仪表控制系统的接地体与该点没有足够安全距离，它们之间就会产生放电，造成反击电流，可直接击穿用电器的绝缘部分,会对仪表控制系统产生干扰乃至破坏。
(十一）仪表系统防雷的主要措施
对于侵入仪表系统雷害的治理的措施是多方面的，主要包括接闪、分流、均
压、接地和屏蔽等.这些措施必须综合运用，才能真正达到仪表系统的防雷。目前石油化工仪表系统所采取的防雷措施如下：
1、接闪
直接主由装置实现，现场仪表系统的防雷，应和周围的储油罐等设备的防雷措施起设计雷击的防护要建筑物的防雷一。
2、均压
当雷击发生时，在雷电瞬态电流所经过的路径上将会产生瞬态电位升高，使该路径与周围的金属物体之间形成瞬态电位差，如果这种瞬态的电位差超过了两者之间的绝缘耐受强度，就会导致介质的击穿放电,这种击穿放电能直接损坏仪表设备，也能产生电磁脉冲，干扰仪表系统的正常运行。
为了消除雷电瞬态电流路径与金属物体之间的击穿放电，可以将所有现场仪
表的所有金属外壳、构架、生产装置的金属设备、设施、仪表控制室内的设备、组件和元件的金属外壳、金属设施连接在一起，并且与仪表控制室的防雷接地系统相连接，形成完善的等电位连接.
3、接地
à 目前国内石油化工仪表系统的接地主要有两种措施：浮地、多点接地.
à （1)浮地是指仪表的工作地与建筑物的接地系统保持绝缘，这样建筑物接地系统中的电磁干扰就不会传导到仪表系统中，地电位的变化对仪表系统也无影响.但由于仪表的外壳要进行保护接地，当雷电较强时，仪表外壳与其内部电子电路之间可能出现很高的电压，将两者之间绝缘间隙击穿,造成电子线路损坏.
à (2)接地是指仪表、DCS、PLC 等设备的工作接地与保护接地分开，这种接地方式的突出优点是可以就近接地,接地线的寄生电感小。但是如果较强的雷电波通过保护地进入系统，电子电路同样会因承受高压而损坏.由于以上两种接地方式都不能满足防雷的需要,因此，可以考虑将保护地与工作地相连接,并且接入防雷接地系统，问题就可以解决了。
4、屏蔽
à 石油化工仪表系统大量采用半导体器件、集成电路和传递信号的电缆，由雷击产生的瞬态电磁脉冲可以直接辐射到这些元器件上,也可以在电源或信号线上感应出瞬态过电压波，沿线路侵入电子设备，使电子设备工作失灵或损坏。利用屏蔽体来阻挡或衰减电磁脉冲的能量传播是一种有效的防护措施。仪表系统的防雷屏蔽主要包括三个方面:控制室屏蔽、现场仪表屏蔽、信号线和电源线屏蔽。
à （1）控制室屏蔽
à 控制室内的控制系统是仪表系统的心脏，对雷电产生的电磁脉冲十分敏感，需要特别注意其屏蔽问题。仪表控制室应是无窗的封闭结构,将房屋墙壁中的结构钢筋交点处电气连接,并与金属门框焊接，构成一个带门开口的屏蔽笼，在室内沿墙壁四周再做一圈保护接地环（接入防雷地），接地环与屏蔽笼进行有效的电气连接。
à （2）现场仪表屏蔽
à 现场仪表可采用金属的仪表箱（罩)实现防雷屏蔽，仪表箱(罩）要与其它现场的金属设施实现等电位连接,并接入防雷接地系统。
（3)信号线和电源线屏蔽
à 为了防止雷电电磁脉冲在信号或电源线路上感应出瞬态过电压波，所有的信号线及低压电源线都应采用有金属屏蔽层的电缆。
à 就瞬态过压防护而言，需要信号线或电源线的屏蔽层沿线路多点接地或至少应在线路的首、末两端接地.
à 当采用多点接地后，各接地点之间的屏蔽层沿线路之间形成回路，低频干扰电流的电磁场可能会有一部分透过屏蔽层，在电缆的芯—护套回路产生低频干扰，这就要求屏蔽层沿线路只能采取单点接地.
à 为了防止由多点接地所产生的低频干扰，可将电缆穿入金属管内或采用双屏蔽电缆,将金属管或双屏蔽电缆的外屏蔽层采取多点接地，金属管内或双屏蔽电缆的内屏蔽层可以采用一端接地，这样既保证安全,又有利于抑制低频干扰。
5、分流
分流是防雷的有效措施,由于仪表回路太多,不可能在每个仪表回路中都使用SPD，必须有选择地在重要回路和系统电源回路中安装SPD 或避雷器。
为了达到石油化工仪表系统的防雷，要对整个生产装置根据等电位连接的原则加以设计，从控制室、现场仪表、仪表信号和电源线等多方面综合考虑。
à 采用接闪、分流、均压、接地、屏蔽等多种措施,需要电气、建筑、自控等专业协同合作来实现。
à 除了考虑系统安全性以外，还要考虑投资的成本、运行的经济性.
二、 石油化工仪表防雷接地设计规范
本规范适用于石油化工企业自动控制工程的仪表、PLC、DCS、计算机系统等的接地设计，装置的改造可参照执行。
à 本规范从工程设计的角度出发，按保护接地、工作接地（仪表信号回路接地、本质安全系统接地、屏蔽接地）、防静电接地和防雷接地等分类进行规定.
à 本规范中的仪表是广义的，包括各种类型的用电仪表及按钮、开关、继电器等电器。
à 本规范在接地种类中包括了防静电接地。
à 在接地方法上参照了国内外相关规范，规定了仪表及控制系统接地与电气专业的低压配电系统接地合一,规定了仪表及控制系统的保护接地、工作接地（仪表信号回路接地，屏蔽接地）、本质安全系统接地、防静电接地和防雷接地共用接地装置.
（一） 保护接地
用电仪表、自控设备的金属外壳和正常不带电的金属部分，由于绝缘破坏而有可能带危险电压时,均应作保护接地.
à 它们包括:仪表盘、仪表柜、仪表箱、PLC及DCS机柜、操作站及辅助设备、供电盘、供电箱、接线盒、电缆槽、电缆托盘、穿线管、铠装电缆的铠装护层等。
à 24V或低于24V供电的现场仪表、变送器、就地开关等，若无特殊要求时，可不作保护接地。
à 安装在非爆炸危险场所的金属表盘上的按钮、信号灯、继电器等小型低压电器的金属外壳，当与已接地的金属表盘框架电气接触良好时，可不作保护接地。
（二） 工作接地
仪表、PLC、DCS、计算机系统等，应作工作接地。工作接地包括：信号回路接地、屏蔽接地、本质安全仪表系统接地。
à 当仪表、PLC、DCS、计算机系统等电子设备，需要建立统一的基准电位时，应进行信号回路接地。
à 当PLC、DCS、计算机系统与模拟仪表联用时，应对模拟系统与数字系统两者提供一个公共的信号回路接地点。
à 仪表系统中用以降低电磁干扰的部件（如电缆的屏蔽层、排扰线、仪表上的屏蔽接地端子等），应作屏蔽接地。除信号源本身接地者外，屏蔽接地应在控制室侧实施。
à 本质安全仪表系统中必须接地的本安关联设备，应根据仪表制造厂的要求可靠接地。
à 本质安全仪表系统的信号回路地和屏蔽地，可通过接地汇流与本质安全地连接在一起.
（三） 仪表系统的防雷接地
位于多雷击区或强雷击区内的石油化工装置，当控制室内PLC、DCS、计算机系统仪表电缆引入处及现场仪表已设置了电涌保护器时，电涌保护器应进行仪表系统防雷接地.
à 在强雷击区室外架空敷设且不在金属电缆槽内或穿管的多芯电缆，其备用芯宜作防雷接地.
（四） 仪表系统的防静电接地
静电放电的特点是高电压、小电流、时间短。抑制或消除静电放电应采取多种措施,除尽量避免产生静电外，及时泄放静电是有效手段之一。
à 仪表及控制系统的防静电接地比较简单,静电导体对地的泄放电阻通常是104～106Ω数量级的,所以，很多相应的规范、资料规定用于防静电接地的电
阻为100Ω。
à 并且，防静电接地应与其它接地系统共用接地装置。
（五） 仪表系统的防雷接地
位于多雷击区或强雷击区内的石油化工装置，当控制室内PLC、DCS、计算机系统仪表电缆引入处及现场仪表已设置了电涌保护器时，电涌保护器应进行仪表系统防雷接地。
à 在强雷击区室外架空敷设且不在金属电缆槽内或穿管的多芯电缆，其备用芯宜作防雷接地。
à 国家标准GB50057《建筑物防雷设计规范》提供了很好的依据和参考,规定了防直击雷、防雷电感应和防雷电波侵入。该标准第六章作了信息系统防雷击电磁脉冲的规定，其中规定了屏蔽、接地和等电位连接的要求。
à 防雷电感应的接地装置应由电气专业按GB50057的规定设置。
（六） 接地体的设置
当电气系统接地网符合本规范的要求时,仪表系统不应单独设置接地体.
à 下列情况，应单独设置仪表系统接地体：
à 需要单独设置的本质安全仪表系统；
à 需要单独设置的DCS或计算机系统；
à 电气系统接地网接地电阻不能满足仪表系统接地要求时；
à 仪表系统对噪声敏感,抗干扰要求高时；
à 单独设置接地体较为经济、合理时。
（七） 接地连线及连接要求
仪表系统的接地连线，应采用多股铜芯绝缘电线或电缆.
à 仪表系统的接地连接，应根据不同要求分别接至下列设施:
à 单独设置的仪表系统接地体；
à 厂区电气系统接地网；
à 电气系统在不同装置或不同界区分设的接地分配器。
à 个别现场仪表、电缆接线盒等的保护接地连接，可就近接至已接地的金属构件或金属管道，但不得接至输送可燃性物质的金属管道。利用以上设施作接地连接时，应保证其接地的连续性可靠性，且应满足仪表系统接地电阻的要求。
à 接地连线的截面，可根据接地电阻值的要求及连接仪表的数量和接地连线的长度按表选用。
三、控制室仪表的防雷
（一）控制室仪表的屏蔽
机柜是很好的屏蔽体，机柜或仪表箱应采用钢板材料，机柜的门、顶、底等活动部件应实施导电连接.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，否则应当封闭。
（二） 机柜的接地
注意：装有电涌防护器和不安装电涌防护器的仪表系统机柜的接地连接稍有区别。
本节所说的“不安装电涌防护器的仪表系统机柜"是指该仪表系统机柜的所有信号线路均没有设置电涌防护器。否则应视为电涌防护器机柜的相关机柜。
（三） 非本安系统的接地连接
信号电缆的屏蔽层也可接到机柜内单独设置的接地汇流条,该汇流条直接连接到总接地排。
（四） 本安系统的接地连接
如果可能，电涌防护器的接地汇流导轨宜直接连接到局部的雷电接地网，成为接地连接的一部分。
（五） 控制室内的电涌保护器
电涌防护器的作用是对雷电电涌电流的下游设备起保护作用，安装在电缆进入室内的通路上的电涌防护器仅防护室内的控制系统。如果现场仪表设备也需要保护,在现场仪表设备上也需要安装电涌防护器。
变送器和传感器的电涌防护器不仅能够防止雷电电涌电流的冲击,还可以防止产生较高的电涌电压,避免现场仪表出现火花放电或击穿绝缘。
四、小结
随着化工化工行业的发展，仪表的防雷接地要求越来越高.在工厂仪表的防雷接地设计中，存在着防雷电电脉冲措施不够完善的现象，而计算机及电子设备的许多故障又多是由电磁干扰引起的.因此，为了仪表的准确和稳定，完善仪表的防雷保护系统是必须的。
参考文献
[1] 李法海,仪表系统防雷工程设计规范,北京，2012年09月
作者简介：孙颖（1982年4月19日），女,仪表工程师，辽宁石油化工大学，仪表维护。