石油化工儀表防雷接地系統設計與實現研究

發布時間：

2023-11-29 09:03

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

1 雷擊對自動化儀表設備的影響因素

1. 1 直擊雷對自動化儀表設備的影響

直擊雷是雷擊中最常見的影響因素，當儀表設備或其他關聯電路直接被雷電擊中后，其內部的傳感器模板或電子線路板會被直接燒穿，進而讓儀表設備或關聯電路損壞。同時，直接雷攜帶的電流直接接觸儀表設備時，會順著儀表設備導入大地，這個導入過程會產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，進而使儀表設備的通信端失靈，無法實現應有的信息傳輸功能。

1. 2 雷擊感應對自動化儀表設備的影響

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

1. 3 過電壓對自動化儀表設備的影響

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

1. 4 放電現象對自動化儀表設備的影響

一些防雷系統設計的不合理，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，進而出現局部區域電位上漲的問題。而如果電位上漲區域與儀表設備接地位置過近，就會將電位上漲區域的電流順著接地點傳導到儀表設備上，進而產生反擊電流的現象，反擊電流會將儀表設備的控制電路燒毀，進而讓儀表設備失靈。

2 接地裝置的分類及在防雷接地系統中的應用

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 工作接地的應用

工作接地的作用是為了確保自動化儀表設備的正常運行，其具有抗干擾能力，其根據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，實現與儀表設備電氣接地網的連接，可以有效避免電磁干擾對儀表設備連接電纜的影響。另一種是將儀表設備控制室內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，而線纜的屏蔽應通過單點接地的方式連接地面。

（2）本安儀表系統接地，本安儀表系統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對電壓電流的限制，其布置在本質安全電路與非本質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，因此在設計防雷接地系統時，可以不對該裝置設置接地。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為基礎，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對電流電壓的限制，安裝時不需要相應的接地系統作為基礎條件，因此具有較高的應用價值

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

2. 2 保護接地的應用

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

2. 3 靜電接地的應用

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

3 防雷接地系統的設計

3. 1 防雷接地系統的構成

在防雷接地系統中，接地電極、接地導線以及接地銅排都是系統的重要組件，在構建防雷接地系統時，應該保證接地導線截面積符合接地要求，這樣才能保證防雷接地系統的防雷效果，設計人員應該根據實際情況進行接地導線截面積的選擇，接地導線截面積的具體選擇范圍如表 1 所示。

3. 2 防雷接地系統的設計標準

在設計防雷接地系統時，必須保證工作接地與保護接地的接地點在相同的位置，這樣可以防止出現電位差問題。對一些比較重要的儀表裝置，應該根據實際情況及布置位置的工作環境，選擇相應的隔離方式加以隔離；對儀表盤、控制箱等設備應該同時采用工作接地和保護接地進行保護；設計本安儀表接地及信號回路用接地時，應該依照相關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電能力。

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

3. 3 防雷接地系統的電路設計

防雷接地系統以 Lm³ 58 放大器作為整個系統電路結構的核心，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的輸出電壓在 3. 3V 的安全范圍之內，以運算放大裝置引導 16 位或 24 位的尋址工作，利用AD/DA 轉換器進行 24 倍頻的數模轉換，通過交流放大器的設計，將防雷接地系統的有效頻率范圍控制在 200-2000Hz 之內。交流放大器的具體放大倍數為：

在對濾波器的設計中，級聯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制方法來實現，利用 D/A 轉換器將輸出電壓信號控制在 0-4V 之間。在濾波器的設計基礎之上，加入直流放大器的設計，利用 PCB 構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，進而完成對儀表設備的接地保護工作。

4 結束語

自動化儀表設備是確保石油化工安全生產的重要監測設備，自動化儀表設備的穩定運行，直接影響著石油化工生產設備的穩定運行。因此，石油化工企業必須將儀表防雷接地保護工作重視起來，根據不同儀表設備的特點，更加合理的選擇接地方式，做好防雷接地系統的設計工作，為自動化儀表的安全運行提供基礎保障，進而達到促進石油化工業穩定發展的目的。

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石油化工儀表防雷接地系統設計與實現研究