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1  引言

    近年來的輸氣站場設計、施工過程中，隨著以SCADA系統為代表的現代儀表控制系統的日益廣泛使用，儀表的安全也衍生出一些問題，特別是防雷、接地系統的好與壞與儀表安全的關系密切，受到了人們的廣泛關注。
    與此同時，一些儀表安全事故的頻頻發生更向人們敲響了警鐘。2000年，重慶某地一座SCADA控制輸氣站發生雷擊事故造成自控系統癱瘓，中斷計量達2天；2002年，四川某地一座輸氣站發生雷擊事故造成自控系統癱瘓、值班室照明系統、現場儀表損壞等，中斷計量達1天，類似的事故不勝枚舉……僅川渝油氣田，由于雷擊造成的儀表安全事故每年直接經濟損失總有數十萬之巨，間接損失更是無以計數。
    以上事例深刻地告訴人們一點：儀表安全，特別是防雷工作還任重而道遠，以下就筆者近幾年在設計與施工中遇到的幾個較普遍問題與讀者交流，試著討論一下儀表防雷應該注意的問題。

2  主要問題和原因

    結合一些事故和教訓，筆者發現，事故的發生有一定規律，一些平時不太注意的小問題可能恰恰正是引發事故的主要原因。
    (1)  系統有隔離器是否就能有效防雷？
    這個問題的提出由來已久，在川渝油氣田自動控制系統建設初期，曾經自主開發了一批站場自動控制系統，其中又主要以自動計量系統居多，即將現場的三個模擬量壓力、差壓、溫度采集入系統進行商品量積算，那時計算機控制系統模擬量的輸入都采用了配電隔離器，早期開發的一批DCS站控系統其輸入模塊也采用了隔離器件，于是有人就誤以為隔離器或隔離器件就具有防雷功能，所以不必再配防雷模塊。經過仔細分析發現，配電隔離器（件）從原理上講確實能夠隔離現場與系統之間的強電流，但其響應時間一般為數百毫秒，隔離電流強度一般為1000kVA左右，而在站場可靠接地情況下，弱電系統損害以感應雷擊為主，據標準IEEE C62.41及后來的BS6651對通信、信號電纜的各種場合下高、中、低暴露等級的瞬態沖擊可能出現的最不利情況如表1所示。

表1  通信、信號電纜的各種場合下的瞬態沖擊*

    實際可能出現的最不利情況以中、低暴露等級為主，但已遠遠大于隔離器的隔離電壓，雷電沖擊一般為微秒級，那么在隔離器響應時間之內已經足以對系統造成致命傷害。當然，隔離器（件）若采用符合要求的光電隔離也能防雷，如美國一些主流廠家的工業以太網設備大多采用4000kVA光電隔離器件，具有防雷功能。事實上某站就是因為只采用配電隔離器而在弱電系統遭受感應雷擊時無法有效防范，致使雷電流涌入系統造成隔離器及自控系統的大面積損害。
    (2)  站內工藝裝置區已多處作靜電接地，是否現場儀表接地可以不再就近連接防雷引下線？
    從現行設計規范中筆者了解到，絕大多數長輸站場的工藝設備和露空管線按規范應進行多處防靜電接地，因而在設計和施工中就有人提出現場儀表外殼已與工藝裝置直接接觸，而儀表的現場防雷模塊的接地線已和儀表外殼連接，因而現場儀表接地可以不再就近連接防雷引下線，少一根裸線現場反而顯得比較美觀。但后來某站的事實說明正是這一點貌似合理的疏忽造成了現場儀表的雷擊損害。分析原因筆者發現長輸站場內閥門、設備較多，要做到可靠接地比較困難，一個最典型的例子就是閥門，長輸站場的閥門大多采用法蘭連接，法蘭之間大多有絕緣墊片，另外一點是螺栓，閥門與法蘭之間靠螺栓連接，而螺栓使用年限稍長就有銹蝕，因而假若利用工藝裝置區防靜電接地作為儀表地，在儀表和地之間必然要經過多個閥門，其接地電阻往往達不到防雷接地的要求，從而造成雷擊時地電位反擊電壓偏高，防雷模塊不起作用。
    (3)  現場儀表接地線是否可以引進值班室再統一接地？

圖1  現場儀表接線情況1

圖2  現場儀表接線情況2

    這一問題的提出發生在還在施工的南方某省一條重要省級管網的一個重要站場上，由于該站進口設備較多，某些變送器外殼上沒有帶接地標志的接地端子，而在設計中為防止現場變送器的感應雷擊損害現場變送器都使用防雷模塊防雷，施工單位于是將防雷模塊的地線接至儀表殼內的接地端子上，又使用一芯控制電纜接至系統柜中，由系統柜統一接地。這又是一個對防雷接地理解不深的典型案例。通過對站控系統防雷接地系統的一般布置了解到，現場儀表、設備接地一般連接在站場靜電接地網上，室內儀表、設備的接地通過等電位連接方式連接在建筑地網上，現場與建筑地網之間采用扁鋼相連，并且大家共用一個接地極（如圖1所示），從圖1分析發現，假設雷擊發生在室外現場，雷擊電流將通過地網很快泄放，其二次感應雷擊也通過防雷器的防護通過地網很快泄放，從而保護現場設備，雖然值班室通過建筑地網也和現場有電連接，但由于室內采用等電位等連接方式產生的法拉第籠效應，室內的地電位為零，從而使室內的系統得到保護，雷擊發生在建筑表面可以分析出效果依然。而在施工中的這種連接方式中，假設雷擊發生在室外儀表上（如圖2所示），由于現場沒有接地，雷擊電流將通過導線直接引入系統接地極再流出，直擊雷電流強度可能高達數十至數百kVA，極易造成設備損壞，甚至就是某些點的擊穿跳火都可能產生二次雷擊損壞弱電設備。

3  結語

    通過以上實例，筆者總結出輸氣站場防雷保護普遍應注意的幾個問題。
    (1)  應合理地使用防雷器件和選擇合理的接線方式，以上第一個事件是器件選擇不合理，第二、三個事件是防雷器件選擇合理而接線方式不合理，現場容易發生的接線方式不合理還包括防雷保護器端子接反或接線錯誤等，這些錯誤都時有發生并造成了一定的損害。
    (2)  接地必須可靠，在第二個事例中就是因為沒有可靠接地從而造成損害，可靠接地的一個重要指標就是接地電阻，因而在設計、施工中應使用多種手段以保證可靠連接和接地電阻在允許范圍內，如焊接連接、使用降阻劑等。
    (3)  接地系統的布置應在分析雷擊災害產生原因、過程基礎上逐級有效防治，分析雷擊成因使筆者發現，雷擊不僅有一次雷擊，還有二次雷擊或感應雷擊，雷擊傷害不僅有直接傷害，還有次生災害甚至火災等，在對付這些雷擊的手段上也應是多種多樣分門別類并有針對性，原則上一次雷擊應消滅在現場和室外，如建筑采用等電位、法拉第籠等措施，同時采取必要措施防止二次雷擊產生的次生災害，主要是必要點的防感應雷措施。

參考文獻:
[1] IEEE Recommended Practice on Surge Voltages in Low-Voltage ACPower Circuits[S]. IEEE C62.41.
[2] Code of practice for protection of structures against lightning.[S]. BS6651:1992.
[3] 輸氣管道工程設計規范[S]. GB50251-2003.