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1  引言

    近年来的输气站场设计、施工过程中，随着以SCADA系统为代表的现代仪表控制系统的日益广泛使用，仪表的安全也衍生出一些问题，特别是防雷、接地系统的好与坏与仪表安全的关系密切，受到了人们的广泛关注。
    与此同时，一些仪表安全事故的频频发生更向人们敲响了警钟。2000年，重庆某地一座SCADA控制输气站发生雷击事故造成自控系统瘫痪，中断计量达2天；2002年，四川某地一座输气站发生雷击事故造成自控系统瘫痪、值班室照明系统、现场仪表损坏等，中断计量达1天，类似的事故不胜枚举……仅川渝油气田，由于雷击造成的仪表安全事故每年直接经济损失总有数十万之巨，间接损失更是无以计数。
    以上事例深刻地告诉人们一点：仪表安全，特别是防雷工作还任重而道远，以下就笔者近几年在设计与施工中遇到的几个较普遍问题与读者交流，试着讨论一下仪表防雷应该注意的问题。

2  主要问题和原因

    结合一些事故和教训，笔者发现，事故的发生有一定规律，一些平时不太注意的小问题可能恰恰正是引发事故的主要原因。
    (1)  系统有隔离器是否就能有效防雷？
    这个问题的提出由来已久，在川渝油气田自动控制系统建设初期，曾经自主开发了一批站场自动控制系统，其中又主要以自动计量系统居多，即将现场的三个模拟量压力、差压、温度采集入系统进行商品量积算，那时计算机控制系统模拟量的输入都采用了配电隔离器，早期开发的一批DCS站控系统其输入模块也采用了隔离器件，于是有人就误以为隔离器或隔离器件就具有防雷功能，所以不必再配防雷模块。经过仔细分析发现，配电隔离器（件）从原理上讲确实能够隔离现场与系统之间的强电流，但其响应时间一般为数百毫秒，隔离电流强度一般为1000kVA左右，而在站场可靠接地情况下，弱电系统损害以感应雷击为主，据标准IEEE C62.41及后来的BS6651对通信、信号电缆的各种场合下高、中、低暴露等级的瞬态冲击可能出现的最不利情况如表1所示。

表1  通信、信号电缆的各种场合下的瞬态冲击*

    实际可能出现的最不利情况以中、低暴露等级为主，但已远远大于隔离器的隔离电压，雷电冲击一般为微秒级，那么在隔离器响应时间之内已经足以对系统造成致命伤害。当然，隔离器（件）若采用符合要求的光电隔离也能防雷，如美国一些主流厂家的工业以太网设备大多采用4000kVA光电隔离器件，具有防雷功能。事实上某站就是因为只采用配电隔离器而在弱电系统遭受感应雷击时无法有效防范，致使雷电流涌入系统造成隔离器及自控系统的大面积损害。
    (2)  站内工艺装置区已多处作静电接地，是否现场仪表接地可以不再就近连接防雷引下线？
    从现行设计规范中笔者了解到，绝大多数长输站场的工艺设备和露空管线按规范应进行多处防静电接地，因而在设计和施工中就有人提出现场仪表外壳已与工艺装置直接接触，而仪表的现场防雷模块的接地线已和仪表外壳连接，因而现场仪表接地可以不再就近连接防雷引下线，少一根裸线现场反而显得比较美观。但后来某站的事实说明正是这一点貌似合理的疏忽造成了现场仪表的雷击损害。分析原因笔者发现长输站场内阀门、设备较多，要做到可靠接地比较困难，一个最典型的例子就是阀门，长输站场的阀门大多采用法兰连接，法兰之间大多有绝缘垫片，另外一点是螺栓，阀门与法兰之间靠螺栓连接，而螺栓使用年限稍长就有锈蚀，因而假若利用工艺装置区防静电接地作为仪表地，在仪表和地之间必然要经过多个阀门，其接地电阻往往达不到防雷接地的要求，从而造成雷击时地电位反击电压偏高，防雷模块不起作用。
    (3)  现场仪表接地线是否可以引进值班室再统一接地？

图1  现场仪表接线情况1

图2  现场仪表接线情况2

    这一问题的提出发生在还在施工的南方某省一条重要省级管网的一个重要站场上，由于该站进口设备较多，某些变送器外壳上没有带接地标志的接地端子，而在设计中为防止现场变送器的感应雷击损害现场变送器都使用防雷模块防雷，施工单位于是将防雷模块的地线接至仪表壳内的接地端子上，又使用一芯控制电缆接至系统柜中，由系统柜统一接地。这又是一个对防雷接地理解不深的典型案例。通过对站控系统防雷接地系统的一般布置了解到，现场仪表、设备接地一般连接在站场静电接地网上，室内仪表、设备的接地通过等电位连接方式连接在建筑地网上，现场与建筑地网之间采用扁钢相连，并且大家共用一个接地极（如图1所示），从图1分析发现，假设雷击发生在室外现场，雷击电流将通过地网很快泄放，其二次感应雷击也通过防雷器的防护通过地网很快泄放，从而保护现场设备，虽然值班室通过建筑地网也和现场有电连接，但由于室内采用等电位等连接方式产生的法拉第笼效应，室内的地电位为零，从而使室内的系统得到保护，雷击发生在建筑表面可以分析出效果依然。而在施工中的这种连接方式中，假设雷击发生在室外仪表上（如图2所示），由于现场没有接地，雷击电流将通过导线直接引入系统接地极再流出，直击雷电流强度可能高达数十至数百kVA，极易造成设备损坏，甚至就是某些点的击穿跳火都可能产生二次雷击损坏弱电设备。

3  结语

    通过以上实例，笔者总结出输气站场防雷保护普遍应注意的几个问题。
    (1)  应合理地使用防雷器件和选择合理的接线方式，以上第一个事件是器件选择不合理，第二、三个事件是防雷器件选择合理而接线方式不合理，现场容易发生的接线方式不合理还包括防雷保护器端子接反或接线错误等，这些错误都时有发生并造成了一定的损害。
    (2)  接地必须可靠，在第二个事例中就是因为没有可靠接地从而造成损害，可靠接地的一个重要指标就是接地电阻，因而在设计、施工中应使用多种手段以保证可靠连接和接地电阻在允许范围内，如焊接连接、使用降阻剂等。
    (3)  接地系统的布置应在分析雷击灾害产生原因、过程基础上逐级有效防治，分析雷击成因使笔者发现，雷击不仅有一次雷击，还有二次雷击或感应雷击，雷击伤害不仅有直接伤害，还有次生灾害甚至火灾等，在对付这些雷击的手段上也应是多种多样分门别类并有针对性，原则上一次雷击应消灭在现场和室外，如建筑采用等电位、法拉第笼等措施，同时采取必要措施防止二次雷击产生的次生灾害，主要是必要点的防感应雷措施。

参考文献:
[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] 输气管道工程设计规范[S]. GB50251-2003.