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1  引言

    近年來的輸氣站場(chǎng)設(shè)計(jì)、施工過程中，隨著以SCADA系統(tǒng)為代表的現(xiàn)代儀表控制系統(tǒng)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(tǒng)的好與壞與儀表安全的關(guān)系密切，受到了人們的廣泛關(guān)注。
    與此同時(shí)，一些儀表安全事故的頻頻發(fā)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(fā)生雷擊事故造成自控系統(tǒng)癱瘓，中斷計(jì)量達(dá)2天；2002年，四川某地一座輸氣站發(fā)生雷擊事故造成自控系統(tǒng)癱瘓、值班室照明系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)儀表損壞等，中斷計(jì)量達(dá)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(jīng)濟(jì)損失總有數(shù)十萬之巨，間接損失更是無以計(jì)數(shù)。
    以上事例深刻地告訴人們一點(diǎn)：儀表安全，特別是防雷工作還任重而道遠(yuǎn)，以下就筆者近幾年在設(shè)計(jì)與施工中遇到的幾個(gè)較普遍問題與讀者交流，試著討論一下儀表防雷應(yīng)該注意的問題。

2  主要問題和原因

    結(jié)合一些事故和教訓(xùn)，筆者發(fā)現(xiàn)，事故的發(fā)生有一定規(guī)律，一些平時(shí)不太注意的小問題可能恰恰正是引發(fā)事故的主要原因。
    (1)  系統(tǒng)有隔離器是否就能有效防雷？
    這個(gè)問題的提出由來已久，在川渝油氣田自動(dòng)控制系統(tǒng)建設(shè)初期，曾經(jīng)自主開發(fā)了一批站場(chǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其中又主要以自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)居多，即將現(xiàn)場(chǎng)的三個(gè)模擬量壓力、差壓、溫度采集入系統(tǒng)進(jìn)行商品量積算，那時(shí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)模擬量的輸入都采用了配電隔離器，早期開發(fā)的一批DCS站控系統(tǒng)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(jīng)過仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，配電隔離器（件）從原理上講確實(shí)能夠隔離現(xiàn)場(chǎng)與系統(tǒng)之間的強(qiáng)電流，但其響應(yīng)時(shí)間一般為數(shù)百毫秒，隔離電流強(qiáng)度一般為1000kVA左右，而在站場(chǎng)可靠接地情況下，弱電系統(tǒng)損害以感應(yīng)雷擊為主，據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE C62.41及后來的BS6651對(duì)通信、信號(hào)電纜的各種場(chǎng)合下高、中、低暴露等級(jí)的瞬態(tài)沖擊可能出現(xiàn)的最不利情況如表1所示。

表1  通信、信號(hào)電纜的各種場(chǎng)合下的瞬態(tài)沖擊*

    實(shí)際可能出現(xiàn)的最不利情況以中、低暴露等級(jí)為主，但已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于隔離器的隔離電壓，雷電沖擊一般為微秒級(jí)，那么在隔離器響應(yīng)時(shí)間之內(nèi)已經(jīng)足以對(duì)系統(tǒng)造成致命傷害。當(dāng)然，隔離器（件）若采用符合要求的光電隔離也能防雷，如美國(guó)一些主流廠家的工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備大多采用4000kVA光電隔離器件，具有防雷功能。事實(shí)上某站就是因?yàn)橹徊捎门潆姼綦x器而在弱電系統(tǒng)遭受感應(yīng)雷擊時(shí)無法有效防范，致使雷電流涌入系統(tǒng)造成隔離器及自控系統(tǒng)的大面積損害。
    (2)  站內(nèi)工藝裝置區(qū)已多處作靜電接地，是否現(xiàn)場(chǎng)儀表接地可以不再就近連接防雷引下線？
    從現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中筆者了解到，絕大多數(shù)長(zhǎng)輸站場(chǎng)的工藝設(shè)備和露空管線按規(guī)范應(yīng)進(jìn)行多處防靜電接地，因而在設(shè)計(jì)和施工中就有人提出現(xiàn)場(chǎng)儀表外殼已與工藝裝置直接接觸，而儀表的現(xiàn)場(chǎng)防雷模塊的接地線已和儀表外殼連接，因而現(xiàn)場(chǎng)儀表接地可以不再就近連接防雷引下線，少一根裸線現(xiàn)場(chǎng)反而顯得比較美觀。但后來某站的事實(shí)說明正是這一點(diǎn)貌似合理的疏忽造成了現(xiàn)場(chǎng)儀表的雷擊損害。分析原因筆者發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)輸站場(chǎng)內(nèi)閥門、設(shè)備較多，要做到可靠接地比較困難，一個(gè)最典型的例子就是閥門，長(zhǎng)輸站場(chǎng)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(diǎn)是螺栓，閥門與法蘭之間靠螺栓連接，而螺栓使用年限稍長(zhǎng)就有銹蝕，因而假若利用工藝裝置區(qū)防靜電接地作為儀表地，在儀表和地之間必然要經(jīng)過多個(gè)閥門，其接地電阻往往達(dá)不到防雷接地的要求，從而造成雷擊時(shí)地電位反擊電壓偏高，防雷模塊不起作用。
    (3)  現(xiàn)場(chǎng)儀表接地線是否可以引進(jìn)值班室再統(tǒng)一接地？

圖1  現(xiàn)場(chǎng)儀表接線情況1

圖2  現(xiàn)場(chǎng)儀表接線情況2

    這一問題的提出發(fā)生在還在施工的南方某省一條重要省級(jí)管網(wǎng)的一個(gè)重要站場(chǎng)上，由于該站進(jìn)口設(shè)備較多，某些變送器外殼上沒有帶接地標(biāo)志的接地端子，而在設(shè)計(jì)中為防止現(xiàn)場(chǎng)變送器的感應(yīng)雷擊損害現(xiàn)場(chǎng)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(nèi)的接地端子上，又使用一芯控制電纜接至系統(tǒng)柜中，由系統(tǒng)柜統(tǒng)一接地。這又是一個(gè)對(duì)防雷接地理解不深的典型案例。通過對(duì)站控系統(tǒng)防雷接地系統(tǒng)的一般布置了解到，現(xiàn)場(chǎng)儀表、設(shè)備接地一般連接在站場(chǎng)靜電接地網(wǎng)上，室內(nèi)儀表、設(shè)備的接地通過等電位連接方式連接在建筑地網(wǎng)上，現(xiàn)場(chǎng)與建筑地網(wǎng)之間采用扁鋼相連，并且大家共用一個(gè)接地極（如圖1所示），從圖1分析發(fā)現(xiàn)，假設(shè)雷擊發(fā)生在室外現(xiàn)場(chǎng)，雷擊電流將通過地網(wǎng)很快泄放，其二次感應(yīng)雷擊也通過防雷器的防護(hù)通過地網(wǎng)很快泄放，從而保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，雖然值班室通過建筑地網(wǎng)也和現(xiàn)場(chǎng)有電連接，但由于室內(nèi)采用等電位等連接方式產(chǎn)生的法拉第籠效應(yīng)，室內(nèi)的地電位為零，從而使室內(nèi)的系統(tǒng)得到保護(hù)，雷擊發(fā)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(shè)雷擊發(fā)生在室外儀表上（如圖2所示），由于現(xiàn)場(chǎng)沒有接地，雷擊電流將通過導(dǎo)線直接引入系統(tǒng)接地極再流出，直擊雷電流強(qiáng)度可能高達(dá)數(shù)十至數(shù)百kVA，極易造成設(shè)備損壞，甚至就是某些點(diǎn)的擊穿跳火都可能產(chǎn)生二次雷擊損壞弱電設(shè)備。

3  結(jié)語

    通過以上實(shí)例，筆者總結(jié)出輸氣站場(chǎng)防雷保護(hù)普遍應(yīng)注意的幾個(gè)問題。
    (1)  應(yīng)合理地使用防雷器件和選擇合理的接線方式，以上第一個(gè)事件是器件選擇不合理，第二、三個(gè)事件是防雷器件選擇合理而接線方式不合理，現(xiàn)場(chǎng)容易發(fā)生的接線方式不合理還包括防雷保護(hù)器端子接反或接線錯(cuò)誤等，這些錯(cuò)誤都時(shí)有發(fā)生并造成了一定的損害。
    (2)  接地必須可靠，在第二個(gè)事例中就是因?yàn)闆]有可靠接地從而造成損害，可靠接地的一個(gè)重要指標(biāo)就是接地電阻，因而在設(shè)計(jì)、施工中應(yīng)使用多種手段以保證可靠連接和接地電阻在允許范圍內(nèi)，如焊接連接、使用降阻劑等。
    (3)  接地系統(tǒng)的布置應(yīng)在分析雷擊災(zāi)害產(chǎn)生原因、過程基礎(chǔ)上逐級(jí)有效防治，分析雷擊成因使筆者發(fā)現(xiàn)，雷擊不僅有一次雷擊，還有二次雷擊或感應(yīng)雷擊，雷擊傷害不僅有直接傷害，還有次生災(zāi)害甚至火災(zāi)等，在對(duì)付這些雷擊的手段上也應(yīng)是多種多樣分門別類并有針對(duì)性，原則上一次雷擊應(yīng)消滅在現(xiàn)場(chǎng)和室外，如建筑采用等電位、法拉第籠等措施，同時(shí)采取必要措施防止二次雷擊產(chǎn)生的次生災(zāi)害，主要是必要點(diǎn)的防感應(yīng)雷措施。

參考文獻(xiàn):
[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(shè)計(jì)規(guī)范[S]. GB50251-2003.