计量仪表的防雷方式探讨

何岩明, 纪波峰，纪纲

(1.中国石油化工股份有限公司 齐鲁分公司,山东 淄博 255400；2.上海同欣自动化仪表有限公司，上海 200070)

计量仪表的防雷方式探讨

何岩明1, 纪波峰2，纪纲2

(1.中国石油化工股份有限公司 齐鲁分公司,山东 淄博 255400；2.上海同欣自动化仪表有限公司，上海 200070)

由于计量仪表在现场位置分散，而且大多露天安装，因而容易受到雷电的侵袭。针对计量仪表现场安装位置的特点，介绍了仪表防雷的3种主要方法:电磁屏蔽、等电位接地、安装电涌保护器。通过某热电厂防雷的应用案例，表明了选用适当的防雷措施对保护计量仪表的安全、稳定运行具有重要意义。

计量仪表 防雷 雷电电磁脉冲 屏蔽 等电位接地 电涌保护器

雷电是由雷云对地面建筑及大地的自然放电引起的一种能量极强的放电现象。它会对建筑物或设备产生严重破坏，同时，形成强大的电磁脉冲，进入电子信息系统，对电子设备造成干扰，甚至破坏。

在2016年8月14日的一天内，某公司就有多台仪表因雷电而损坏。损坏的仪表不仅有安装在现场的超声波流量计、压力变送器、雷达液位计，还有安装在控制室内的流量二次表、PLC以及安全栅等，雷击损坏的仪表统计见表1所列。

1 计量仪表的防雷

在各种电气电子设备中，计量仪表更容易受到雷电的伤害，这是由于计量仪表的特点和所处的环境引起的。

计量仪表大多位置较分散，很多是露天场所安装。例如1个蒸汽供热网，如果有100套蒸汽计量表，可能就有80套的安装地点是全露天或半露天；罐区的仪表大多也是露天安装。与安装在建筑物、构筑物内的仪表相比，露天安装的仪表少了一层保护，所以更易受到雷电的伤害。

计量仪表的损坏不仅导致直接的经济损失，更重要的是影响生产和管理。例如用于大宗原料、成品、能源贸易交接计量的计量器具，一旦因雷击损坏，轻则影响贸易交接的正常进行，如果仪表损坏未及时发现，还会给交接中的一方带来重大的经济损失。因此，多年来，关于仪表防雷保护问题，一直备受人们关注。

2 仪表防雷的主要方法

2.1 电磁屏蔽

直击雷产生的瞬间电压和电流非常巨大，电压可高达数万伏，电流可高达数万安[1-2],强大的电流首先被高大的建筑物、构筑物或设备上的接闪器，如接闪杆、避雷网接闪，然后被引入大地，而导致仪表及电子设备损坏的并不是直击雷本身，而是巨大的闪电电流所产生的电磁脉冲。

表1 某公司雷击损坏的仪表统计

IEC 1312—1定义的雷电电磁脉冲(LEMP)，是作为干扰源的闪电电流和闪电电磁场[3]。其中，闪电电磁场是无孔不入的，它不仅会直接侵入仪表，而且会在导线上、管道上以及其他导体上产生感应电动势，进而侵入仪表。

侵入仪表的LEMP，如果超过一定幅值，就会导致器件损坏甚至线路板、端子排烧毁，对于智能化仪表，常使存储器中的程序和数据丢失。

电磁屏蔽是减少电磁干扰和防雷的基本措施。电磁屏蔽能减少交变电磁场对仪表的渗透，同时减小对仪表外部连接线上感应的电动势。具体做法:

1) 所有信号电缆均采用屏蔽双绞线。文献[4]对屏蔽电缆的接地，原则上是规定一端接地，另一端悬空。

2) 屏蔽电缆采用钢管或封闭的钢管线槽保护，尽量避免裸露于钢质保护管之外。保护管、走线槽必须中间连接良好，例如在2根钢管连接处，用电气夹头和截面积为1.5 mm2的铜导线，将2段管子做电气连接。保护管、走线槽必须两端接地[5]。

在GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》[6]中，要求钢制保护管尽可能埋地敷设，以增强屏蔽效果。

3) 利用建筑物本身屏蔽。对建筑物的墙壁、屋面内的钢筋，金属门窗等进行等电位连接，并与防直击雷的接地装置相连，使之形成1个法拉第笼，从而形成对建筑物内的仪表电子设备及线路的外层保护[6]。

有些控制室本身并不是钢筋混凝土结构，但在墙壁和屋面上用钢丝网作了屏蔽处理，也能起到很好的屏蔽效果。

2.2 等电位接地

文献[1]中对建筑物防雷做了具体的规定，按该标准构建覆盖面积很大的公共接地网，安装在设备上、管道上的变送器、传感器、二次表的接地，与该公共接地网相连，实现等电位接地。

航空飞行器虽然没有接地，但由于它内部的电子设备和飞行器的金属外壳作了等电位连接，形成了1个等电位体，因此免受了雷电的影响[7]。

经符合规范的屏蔽和接地处理的计量仪表，能基本预防雷电侵害。以上海的某幢88层大厦为例，就建筑物本身而言，有完善的防雷系统，可很好地抵御直击雷的侵袭。大厦内设有100余套以流量计为主的计量仪表以及计算机数据采集系统，仪表中全部I/O线、通信线、电源线均采用双绞屏蔽电缆，并采用穿钢管保护，而且按规定接地，220 V(AC)电源引自配电箱。仪表系统采用三层屏蔽结构，未采用电涌保护器(SPD)。仪表投运17a以来，未发生过一次雷电损坏事故。仪表的3层屏蔽结构如图1所示。

图1 三层屏蔽结构示意

2.3 合理选用电涌保护器

上述屏蔽和接地措施是有效的，但屏蔽不可能做到天衣无缝，例如电源要从外部引入，在某些情况下和一些特定场合还无法完全取消架空线。此时必须借助于SPD对仪表及系统进行防雷保护。

在SPD的选型中，应根据实际需要和SPD的特点合理选择，特别要注意SPD的工作电压、负载电流与系统回路相匹配，其最大连续操作电压应略大于回路最大正常工作电压，负载电流应大于回路最大正常工作电流，确保SPD在回路中正常工作。对于本安回路需注意SPD是否有相应本安认证，其线路电阻值应足够小，能保证现场仪表电压正常工作。对于加载通信信号的回路需注意SPD带宽，确保正常信号通过[8-9]。在SPD的选用中，响应时间必须比浪涌电流的上升速度快，响应时间越短，抵制浪涌瞬态电压的速度就越快。一般来说，SPD响应时间应小于10 ns[10]。

文献[6]规定，机房内的SPD接地端，应采用截面积不小于1.5 mm2的多股绝缘铜导线，单点连接到机房等电位接地端子排上。安全接地、屏蔽接地和SPD接地等，均应连接到等电位接地端子排上[11-12]。

3 防雷系统改进的实例

江苏某热电公司，配置有几十套蒸汽流量计，全部为露天安装。以前每年雷雨季节都有好几台仪表遭雷击而损坏。因雷电损坏的仪表类型有:

1) 3051TG型压力变送器:输出部分损坏。

2) FT8600型GPRS无线数据收发器:数字通信口损坏。

3) DY系列涡街流量计:转换器内数据丢失；输出部分损坏。

4) FC6000型流量演算器:I/O口损坏。

笔者接受委托去现场进行调查和诊断，发现该公司的每台流量计的I/O口信号线和数字通信口信号线，已全部采用带金属屏蔽层的电缆，但电缆保护管采用PVC硬管，不符合规范要求。笔者建议委托方采取2项改进措施:将全部电缆保护管改为钢管并将保护管按规定接地，而且尽量埋地敷设；合理配置SPD。

因为每台蒸汽流量计量表有流量输入信号、压力输入信号、温度输入信号、模拟输出信号、数字通信口、电源接入口等多个节点，如果全面采用定型的SPD，费用较高。经研究讨论，采用简化方案，即在每套流量计的交流电源接入口，装设限压型SPD，额定电压为230 V(AC)；各I/O口增设400 W双向瞬态抑制二极管TVS(transient voltage suppressor)保护器。由于TVS价格便宜，可固定在端子排上，所以设备材料费耗费较少。

改进措施实施后，效果十分显著，实施5a以来，未发生过仪表因雷电而损坏的问题。

4 结束语

1) 计量仪表在生产控制和管理中扮演着重要角色，很容易受到雷电侵害。这些仪表一旦受损，不仅直接经济损失较大，更重要的是影响生产控制和贸易交接等，造成不可估量的其他损失。

2) 电子式仪表耐受的电压很低，容易受到雷电伤害，雷电产生的LEMP，通过多种途径侵入仪表，导致程序丢失或硬件损坏。计量仪表容易受到雷电伤害的另一原因是它们的分散性布置，甚至有很多为露天安装，因而尤其需要重视防雷。

3) 屏蔽是仪表防雷的基本措施。仪表防雷的三层屏蔽，能有效地削弱LEMP对仪表系统的侵入，因此三层屏蔽不可偏废。

4) 等电位接地也是仪表防雷的重要措施，应按国家相关标准实施。

5) 电涌保护器有多种，技术参数和价格差异悬殊，应本着安全可靠、技术先进、经济合理的原则选用。实践表明，TVS在计量仪表的I/O通道防雷方面，具有简单有效，经济合理的效果。

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DiscussiononLightningProtectionofMeteringInstrument

He Yanming1, Ji Bofeng2, Ji gang2

(1.Sinopec Qilu Branch, Zibo, 255400, China; 2.Shanghai Tontion Automatic Instrument Co.Ltd., Shanghai, 200070, China)

s：Because of metering instruments are distributed wildly in site, and most of them are installed outdoor.It is vulnerable to be lightninged.Based on characteristics of measuring instrument on-site installation location, three methods of lightning protection are introduced:electromagnetic shielded, equipotential grounding, and surge protector installation.By the case of lightning protection in thermal power plant, it is indicated selection of appropriate lightning protection is of great importance to protect metering instruments running safely and stably.

metering instrument; lightning protection; lightning electromagnetic pulse; shield;equipotential grounding; surge protector

稿件收到日期：2017-08-24，修改稿收到日期2017-09-15。

何岩明(1966—)，男，甘肃兰州人，现就职于中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司计量中心能源管理科，从事能源计量与管理工作,任科长。

TU895

B

1007-7324(2017)06-0054-03