石油化工儀表防雷接地系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)研究

發(fā)布時間：

2023-11-29 09:03

動化生產(chǎn)是工業(yè)發(fā)展過程中的顯著進步，隨著自動化程度的加深，在石油化工生產(chǎn)中，需要使用到大量的自動化儀表設(shè)備來檢測生產(chǎn)設(shè)備。為了保證自動化儀表設(shè)備不會受到高壓電、電磁脈沖的影響，必須做好對自動化儀表設(shè)備接地保護工作，防雷接地保護系統(tǒng)就是為了保護自動化儀表設(shè)備而產(chǎn)生的，其可以有效的防止雷擊對自動化儀表設(shè)備造成的影響。在設(shè)計防雷接地保護系統(tǒng)時，要對雷擊現(xiàn)象進行充分的分析，找出雷擊對自動化儀表設(shè)備的影響因素，進而在設(shè)計系統(tǒng)時可以考慮的更加全面，最終讓接地保護系統(tǒng)的功效更加顯著。

1 雷擊對自動化儀表設(shè)備的影響因素

1. 1 直擊雷對自動化儀表設(shè)備的影響

直擊雷是雷擊中最常見的影響因素，當(dāng)儀表設(shè)備或其他關(guān)聯(lián)電路直接被雷電擊中后，其內(nèi)部的傳感器模板或電子線路板會被直接燒穿，進而讓儀表設(shè)備或關(guān)聯(lián)電路損壞。同時，直接雷攜帶的電流直接接觸儀表設(shè)備時，會順著儀表設(shè)備導(dǎo)入大地，這個導(dǎo)入過程會產(chǎn)生一個范圍較大的磁場，該磁場會將通信線路及其他信號傳輸裝置造成破壞，進而使儀表設(shè)備的通信端失靈，無法實現(xiàn)應(yīng)有的信息傳輸功能。

1. 2 雷擊感應(yīng)對自動化儀表設(shè)備的影響

與地面接觸的物體都會有不同程度的電流傳導(dǎo)能力，其中攜帶大量自由電荷的物體導(dǎo)電能力更強。因此，在雷雨天，自動化儀表設(shè)備周圍的物體出現(xiàn)放電現(xiàn)象，其釋放的電流就有可能傳導(dǎo)到自動化儀表設(shè)備中，進而讓儀表設(shè)備中的電路出現(xiàn)損壞。

1. 3 過電壓對自動化儀表設(shè)備的影響

雷擊分為兩種類型，一種為直擊雷，另一種為感應(yīng)雷，這兩種雷擊現(xiàn)象都會形成過高的電壓，這些過電壓流入到信號傳輸線路、儀表設(shè)備電路，就會對儀表設(shè)備中的精密組件造成損害，進而引起檢測失靈、設(shè)備損壞、火災(zāi)等危害。

1. 4 放電現(xiàn)象對自動化儀表設(shè)備的影響

一些防雷系統(tǒng)設(shè)計的不合理，在吸收雷擊后，會將雷擊攜帶的大量電流倒入到地面，而地面也是具有電阻的，不能將這些電流有效分散，就會讓電路不能迅速的釋放，進而出現(xiàn)局部區(qū)域電位上漲的問題。而如果電位上漲區(qū)域與儀表設(shè)備接地位置過近，就會將電位上漲區(qū)域的電流順著接地點傳導(dǎo)到儀表設(shè)備上，進而產(chǎn)生反擊電流的現(xiàn)象，反擊電流會將儀表設(shè)備的控制電路燒毀，進而讓儀表設(shè)備失靈。

2 接地裝置的分類及在防雷接地系統(tǒng)中的應(yīng)用

接地裝置以其具體作用可分為工作接地、保護接地以及靜電接地。

2. 1 工作接地的應(yīng)用

工作接地的作用是為了確保自動化儀表設(shè)備的正常運行，其具有抗干擾能力，其根據(jù)安裝位置以及功能的不同，可以細分為屏蔽用接地、本安儀表系統(tǒng)接地以及信號回路用接地。

（1）屏蔽用接地，其主要功能就是過濾電磁干擾，過線纜絕緣管及橋架等接地，實現(xiàn)與儀表設(shè)備電氣接地網(wǎng)的連接，可以有效避免電磁干擾對儀表設(shè)備連接電纜的影響。另一種是將儀表設(shè)備控制室內(nèi)的信號線屏蔽層直接連接到地面，信號源接地時，需要保證信號與屏蔽層都與地面連接，而線纜的屏蔽應(yīng)通過單點接地的方式連接地面。

（2）本安儀表系統(tǒng)接地，本安儀表系統(tǒng)主要由本安儀表以及安全限能器組成，安全限能器分類兩類，一種為齊納式安全柵，另一種為隔離式安全柵，兩類安全限能器都可以實現(xiàn)對電壓電流的限制，其布置在本質(zhì)安全電路與非本質(zhì)安全電路之間的位置。由于安全限能器本身就具有的電壓電流限制功能，因此在設(shè)計防雷接地系統(tǒng)時，可以不對該裝置設(shè)置接地。齊納式安全柵主要由快速熔斷器、限壓二極管以及
限流電阻組成，但是其安裝要求較高，必須以可靠的接地系統(tǒng)為基礎(chǔ)，因此其安裝及使用的條件比較苛刻。隔離式安全柵通過輸入端、輸出端以及電源端之間的相互電氣隔離實現(xiàn)對電流電壓的限制，安裝時不需要相應(yīng)的接地系統(tǒng)作為基礎(chǔ)條件，因此具有較高的應(yīng)用價值

（3）信號回路用接地，自動化儀表設(shè)備的信號系統(tǒng)沒有設(shè)置屏蔽保護時，必須對其進行負極接地，這樣可以讓信號系統(tǒng)形成信號回路，進而完成對信號系統(tǒng)的保護。當(dāng)信號系統(tǒng)設(shè)置有屏蔽保護時，可以減少負極接地的步驟。

2. 2 保護接地的應(yīng)用

保護接地主要作用是防止儀表設(shè)備帶電，確保不會出現(xiàn)儀表設(shè)備帶電危害工作人員生命安全的事故。在石油化工生產(chǎn)中，設(shè)備外殼不帶電，是安全生產(chǎn)的基本標(biāo)準，但是在設(shè)備的使用過程中，設(shè)備外殼往往會受到外界環(huán)境因素的影響，絕緣材料的老化、破損會讓設(shè)備的絕緣能力下降，進而讓電纜的電流導(dǎo)入到設(shè)備外殼上，此時工作人員碰觸到帶電設(shè)備外殼，就會出現(xiàn)觸電的事故。在設(shè)備外殼上加裝保護接地，可以將設(shè)備外殼上攜帶的電流導(dǎo)入地面，進而減少外殼帶電對工作人員的危害。

2. 3 靜電接地的應(yīng)用

靜電是自然界中的一種常見現(xiàn)象，儀表設(shè)備上產(chǎn)生的靜電如果不能及時釋放，就會干擾儀表設(shè)備的信號系統(tǒng)以及檢測裝置，不僅會影響儀表設(shè)備的檢測質(zhì)量，嚴重時也會降低儀表設(shè)備的使用壽命，甚至讓儀表設(shè)備及信號系統(tǒng)出現(xiàn)損壞。在進行防雷接地系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)該確保較好的靜電接地設(shè)計質(zhì)量，靜電接地電阻必須控制在 100Ω 以下，安裝時技術(shù)人員必須遵照設(shè)計標(biāo)準進行操作。

3 防雷接地系統(tǒng)的設(shè)計

3. 1 防雷接地系統(tǒng)的構(gòu)成

在防雷接地系統(tǒng)中，接地電極、接地導(dǎo)線以及接地銅排都是系統(tǒng)的重要組件，在構(gòu)建防雷接地系統(tǒng)時，應(yīng)該保證接地導(dǎo)線截面積符合接地要求，這樣才能保證防雷接地系統(tǒng)的防雷效果，設(shè)計人員應(yīng)該根據(jù)實際情況進行接地導(dǎo)線截面積的選擇，接地導(dǎo)線截面積的具體選擇范圍如表 1 所示。

3. 2 防雷接地系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準

在設(shè)計防雷接地系統(tǒng)時，必須保證工作接地與保護接地的接地點在相同的位置，這樣可以防止出現(xiàn)電位差問題。對一些比較重要的儀表裝置，應(yīng)該根據(jù)實際情況及布置位置的工作環(huán)境，選擇相應(yīng)的隔離方式加以隔離；對儀表盤、控制箱等設(shè)備應(yīng)該同時采用工作接地和保護接地進行保護；設(shè)計本安儀表接地及信號回路用接地時，應(yīng)該依照相關(guān)要求連接工作接地銅排，確保接地電阻符合接地要求，接地電阻值不得高于 5Ω ，這樣可以確保接地裝置具有較高的導(dǎo)電能力。

對儀表控制系統(tǒng)進行防雷接地設(shè)計時，應(yīng)該著重考慮接地效果，精確掌握接地電阻的數(shù)值。設(shè)計人員應(yīng)該對接地端到總線板之間的電阻值進行測量，設(shè)計中保證其電阻值在0. 5-1Ω 的范圍之內(nèi)，儀表小節(jié)點系統(tǒng)的接地電阻應(yīng)該控制在 2-4Ω 的范圍之內(nèi)。

3. 3 防雷接地系統(tǒng)的電路設(shè)計

防雷接地系統(tǒng)以 Lm³ 58 放大器作為整個系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)的核心，電路中包括交流放大器、濾波器、檢波器以及和直流放大器等，防雷接地系統(tǒng)中采用 MAX3491DSP 芯片作為主控芯片，同時在電路中加入 ADM706 電壓控制芯片，可以精確的控制防雷接地保護系統(tǒng)的輸出電壓在 3. 3V 的安全范圍之內(nèi)，以運算放大裝置引導(dǎo) 16 位或 24 位的尋址工作，利用AD/DA 轉(zhuǎn)換器進行 24 倍頻的數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過交流放大器的設(shè)計，將防雷接地系統(tǒng)的有效頻率范圍控制在 200-2000Hz 之內(nèi)。交流放大器的具體放大倍數(shù)為：

在對濾波器的設(shè)計中，級聯(lián)的方式組件高通檢波電路，其可以通過二極管檢波電路進行檢波，接地保護耦合的控制通過震蕩幅度調(diào)制方法來實現(xiàn)，利用 D/A 轉(zhuǎn)換器將輸出電壓信號控制在 0-4V 之間。在濾波器的設(shè)計基礎(chǔ)之上，加入直流放大器的設(shè)計，利用 PCB 構(gòu)成一個完整的防雷接地保護體系，這樣可以對防雷接地保護的直流電流量加以放大，進而完成對儀表設(shè)備的接地保護工作。

4 結(jié)束語

自動化儀表設(shè)備是確保石油化工安全生產(chǎn)的重要監(jiān)測設(shè)備，自動化儀表設(shè)備的穩(wěn)定運行，直接影響著石油化工生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運行。因此，石油化工企業(yè)必須將儀表防雷接地保護工作重視起來，根據(jù)不同儀表設(shè)備的特點，更加合理的選擇接地方式，做好防雷接地系統(tǒng)的設(shè)計工作，為自動化儀表的安全運行提供基礎(chǔ)保障，進而達到促進石油化工業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的目的。

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