仪器仪表雷电防护技术研究

　　作者：梁冰

　　【摘要】随着工业现代化的快速发展，自动化仪器仪表系统已成为工业生产的神经中枢，但仪器仪表设备绝缘强度、过压与过流耐受能力以及抗电磁干扰能力较低，很容易受到雷击或者雷击的干扰而失灵，严重时还可能造成人员伤亡与生产事故。本文首先阐述了雷击对仪器仪表系统的危害形式，然后详细分析了仪器仪表系统防雷电防护技术措施。

　　【关键词】仪器仪表；雷电；接地；屏蔽

　　【中图分类号】TM862【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）01―0051―02

　　1雷击对仪器仪表系统的危害形式

　　雷电是不可避免的自然现象，据相关资料，大约15%雷会落地造成危害，因此，有效预防雷电入侵是保证仪器仪表系统安全稳定运行的基础。雷击对仪器仪表系统的危害形式主要有以下几种。

　　1.1直接雷击危害

　　直接雷击就是雷电直接击中电力系统中现场仪器仪表设备或者击与中仪器仪表连接的管路，直接雷击能够损坏仪器仪表的传感器模件，同时很容易对变送器的电子线路板造成损坏。而且雷电流会顺着仪器仪表支架流入大地时，会产生很强的感应磁场，经信号传输线路与控制系统的DCS等电子设备发生耦合，破坏电子设备。

　　1.2感应雷击危害

　　感应雷击危害主要体现在两个方面。一是静电感应。就是当雷云导致地面物体聚积大量电荷，放电时电流很容易入侵现场仪器仪表，对其造成损坏。二是电磁脉冲辐射。就是雷电流在其通道周围的空间形成一个产电磁场，电磁场辐射电磁波时，与控制室的计算机、仪表以及现场仪器仪表进行耦合，使仪器仪表控制系统出现失灵。

　　1.3雷电过电压侵入危害

　　发生雷电直击或者发生雷电感应都很容易让输电线路的导线与金属管道出现过电压，过电压此会顺着各类金属管道、电缆槽以及电缆线路侵入仪器仪表控制系统，干扰控制系统，破坏控制能力。

　　1.4反击危害

　　电力系统的防雷装置在接闪时，会在很短的时间内将强大的电流经防雷装置的引下线输送到大地，但大地存在一定的电阻，雷电电荷在向大地泄放时，会导致局部地电位上升，如果仪器仪表控制系统的接地体距离高电位较近，就会发生相互放电现象，产生反击电流，反击电流很容易击穿电气设备绝缘层，干扰甚至破坏仪器仪表控制系统。

　　2仪器仪表系统防雷电防护技术措施

　　仪器仪表系统防雷电防护技术措施是多方面的，其中等电位连接、接闪、分流、均压、接地以及屏蔽是重要技术措施。但要真正取得仪器仪表系统的防雷效果，必须将这些防雷技术进行综合运用。

　　2.1等电位连接防护技术

　　雷击产生的瞬态电流会提高某点的瞬态电位而形成瞬态电位差，这种瞬态的电位差会造成导致介质的击穿放电或者产生电磁脉冲，而损坏仪器仪表设备或者干扰仪器仪表系统稳定工作。因此要消除雷电瞬态电流路径与金属物体之间的击穿放电必须进行等电位连接，等电位连接就是将具有相同对地电位的各个可导电部分进行电气连接，保持系统各部分不出现造成损害的电位差。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、金属设施连接成一体，同时与仪表控制室的防雷接地系统相连接，接入防雷接地系统，形成完善的等电位连接。等电位连接一般有两种形式组合，即S型与M型。

　　2.2接闪防护技术

　　接闪技术就是利用避雷针（网、线带）和建筑物自身的金属来接受直击雷，避免受到电力系统或者建筑物遭到破坏。在接闪装置设计时，除了注重接闪部分功能外，还要以控制室与工艺装置的结构形式等因素，综合考虑防雷方式，提升接闪引雷的效果。譬如对易受雷击部位控制落雷点重点控制，接闪器采用避雷针、避雷带还是避雷网等因素。

　　2.3浮地防护技术

　　“地”的经典定义是“作为电路或系统基准的等电位点或平面，当前工业企业中的仪器仪表系统的接地防护技术主要有两类，即浮地与多点接地。浮地就是将仪器仪表控制系统电路的接地地与大地无导体连接，对仪器仪表系统电路进行浮地，能够预防大地电性能的影响，能够使功率地（强电地）和信号地（弱电地）之间的隔离电阻很大，可以阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰到仪器仪表系统中。但雷电较强时，浮地很容易使仪器仪表外壳与其内部电子电路之间可能出现很高的电压，为避免绝缘间隙击穿，造成电子线路损坏，可以在浮地与公共地之间跨接一个阻值很大的泄放电阻，用以释放所积累的电荷。

　　2.4屏蔽防护技术

　　仪器仪表控制系统具有大量的半导体器件、集成电路以及传递信号的电缆，雷击发生时，其产生的瞬态电磁脉冲很容易对这些元器件进行直接辐射，也很容易在电源或信号线上感应出瞬态过电压波，入侵到电子设备使其失灵或损坏。因此，对仪器仪表雷电防护可以通过屏蔽体阻挡或衰减电磁脉冲的能量传播。仪器仪表系统防雷屏蔽包括控制室屏蔽、现场仪表屏蔽、信号线和电源线屏蔽三个方面。

　　（1）控制室屏蔽防护技术

　　控制室内的控制系统是仪表系统的中枢，容易受雷电电磁脉冲的干扰，因此，仪表控制室必须做成无窗封闭结构，其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），接地环与屏蔽笼进行有效的电气连接。

　　（2）现场仪表屏蔽防护技术

　　现场仪表屏蔽就是将仪表箱（罩）与其它现场的金属设施实现等电位连接，并接人防雷接地系统。

　　（3）信号线和电源线屏蔽防护技术

　　信号线和电源线屏蔽防护技术就是为预防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。同时为预防多点接地所产生的低频干扰，一般情况下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。

　　2.5分流

　　仪器仪表控制系统分流是回路繁琐，在每个仪表回路中都使用SPD不现实，因此，可选择地在重要回路和系统电源回路中装设SPD或避雷器保护仪器仪表系统。

　　2.6合理布线

　　强电、弱电以及信号等哥哥系统对电磁干抗的敏感度有差异，同时各类线缆在运行中很可能彼此产生电磁干扰。因此，为保护仪器仪表仪表系统，应该将电源与信号线缆进行分开敷设，尤其是控制室的各种信号线缆应该具有金属管保护或者封闭式的电缆桥架，控制室遭遇雷击时，外墙墙处有较大的电流密度与较强的电磁场强产生，因此，电源与信号线路在装设时不要靠近不应控制室的外墙，设置在建筑物的中心位置最佳。

　　2.7装设浪涌抑制保护器

　　电路在遭雷击和在接通、断开电感负载或大型负载时常常会产生很高的操作过电压，这种瞬时过电压（或过电流）称为浪涌电压（或浪涌电流），是一种瞬变干扰。为防止这种瞬间干扰，可以装设浪涌电压抑制器来保护仪器仪表控制系统免受浪涌高压的损害。常用的浪涌吸收器有氧化锌压敏电阻，RCD组合浪涌吸收器、瞬态电压抑制器等。

　　3结束语

　　总之，仪器仪表系统的防雷技术要以企业生产装置现状为基础，优化设计等电位连接，综合考虑控制室、现场仪表、仪表信号和电源线等各个因素，需要电气、建筑、自控等专业协同合作来实现接闪、浮地、屏蔽、分流、合理布线以及装设浪涌抑制保护器等多种措施。本文来自《仪器仪表学报》杂志