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干货 | 提前领悟SH/T3164-2021 《石油化工仪表系统防雷工程设计规范》
防雷工程设计规范 干货 | 提前领悟SH/T3164-2021 《石油化工仪表系统防雷工程设计规范》 2021-05-19 干货 | 提前领悟SH/T3164-2021 《石油化工仪表系统防雷工程设计规范》 797

我国每年因为雷电危害造成的生产损失数以万计,为了规范仪表防雷,减少雷电风险,2005年,立项了《石油化工仪表系统防雷工程设计规范》,2007年8月着手起草,编制很快,2008年10月报批,批复却历经4年,于2012年11月由工信部批准,2013年实施这是我国首篇仪表防雷工程设计的标准规范,是第一个相关领域和相关专业的规范,规定了仪表防雷的基本方法,填补了国内外的空白。实施以来,成为仪表及控制系统雷电防护的重要规范。

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经过多年的实践,有一些可以简化和改进的工程实施方法需要加入到规范中, 2018年10月,对2012版《石油化工仪表系统防雷工程设计规范》进行修订,2020年12月报批。修订过程注意到国家关于防灾减灾政策,吸收了国际标准的一些基本观点,翻阅了大量雷电防护的论文资料,借鉴了多年来包括全厂型的工程项目设计实践。


01 新规范修改了什么?   

本规范主要内容包括:仪表防雷工程的确定;仪表防雷工程基本方法;仪表防雷工程接地系统;电涌防护器的应用;控制室仪表防雷;现场仪表防雷;仪表电缆防雷;本质安全系统防雷;现场总线系统防雷等等。


本次修订的重点是:

——规定了网型结构的接地系统;

——确定了控制室仪表防雷接地采用网型结构;

——删除了其他类型的接地结构;

——规范了仪表防雷工程的方法;

——增加了网型结构设计参考图和电缆屏蔽接地图两个附录。

本次修订对2012版做了重大修改,使仪表防雷工程更加稳妥有效!简化了方法,使工程设计和实施简便易行。


02 直击雷与感应雷是什么关系?   

雷电电涌是由雷电流通过电磁感应在线路上产生的冲击电流,电涌强度根据实际情况而异,约为几十到几百安培。直击雷(左)和感应雷(右)如下图所示:

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03 室内电子设备还需要防雷吗?   

雷电电磁脉冲(LEMP)可以由以下途径损坏电子设备:

a)通过链接导线传输给设备的传导和感应电涌;

b)辐射电磁场直接作用于设备上的效应。


建筑物外部或内部都可产生电涌:

——建筑物外部电涌由雷击入户电线或附近地面产生,并经电线本身传输到电气和电子统;

——建筑物内部电涌由雷击建筑物或其附近地面产生。



大量研究的文献资料都证实雷电通过多种电磁耦合形式产生电涌:
——电阻耦合(例如建筑物接地装置的接地阻抗或电缆屏蔽层电阻);
——磁场耦合(例如由于电气和电子系统中线路构成的回路或搭接导体的电感所引起);
——电场耦合(例如由于天线接受所引起);


04 怎样确定仪表防雷工程?  


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确定区域雷电活动程度:根据年平均雷暴日确定雷电活动程度。


确定保护目标的重要程度:

根据备保护系统的社会、经济和安全的重要程度;


确定雷电防护:

确定实施仪表防雷工程,应根据地区雷害程度、装置运营的承受能力以及投资情况综合决策。

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雷电活动的划分关系到防雷工程设计,是确定雷电防护等级的重要依据之一。我国的雷电气象记录采用年平均雷暴日,没有雷击频率的记录。而地区气象资料是雷电活动的官方统计资料,统一地区的不同区域可能不一样,要考虑区域小气候。


注意:年平均雷暴日不能表达雷电强度的大小,也难于确定雷击次数和频率。


在评价雷电活动程度的概率时,仅仅根据地区的年平均雷暴日数量是不能准确反应实际雷击情况的,还应综合考虑装置所处的局部区域的雷电活动情况、地理环境、建(构)筑物形式等因素,目前还没有定量的办法。


虽然采用平均雷暴日不能表征雷击频率,但可以用于雷电活动程度间接评估。


近年来我国和一些国家开始监测年雷击次数和强度,逐渐获得相对准确的数据。


有的规范将被保护设备、系统所在的空间由外到内划分为不同的雷电保护区,以区别各空间雷电电磁场强度的大小。不同的规范对雷电防护区的划分不同,对不同的雷电防护区,防雷工程的处理方法有所区别。


GB/T21724.2-2015/IEC62305-2 2010 《雷电防护 第2部分:风险管理》、GB50343-2021《建筑物电子信息系统防雷技术规范》等规范中,规定了不同的雷电防护等级(LPL),定义不同的雷电流参数,用户设置雷电防护措施。


由于实际雷击过程雷电流的随机和分散,雷电流计算参数有很多不确定因素,工程中很难确定和采纳。


SH/T 3164:


没有采用不同的雷电参数作为雷电防护程度的度量;

没有直接采用雷击频率;

没有采用雷击预计次数;

具体规定了实用的防雷工程方法;

避免根据雷电流参数采用的复杂防护方法;

避免不确定因素和不明确的计算依据;

简化了评估方法;

避免了复杂繁琐的风险评估。


05 电涌防护器、仪表接地、电缆屏蔽、仪表屏蔽是什么关系?   

仪表接地为雷电提供了泄放通路,但雷电流的泄放还需要电涌防护器等方法的配合,屏蔽只能减小雷电电涌的强度,不能有效地将电涌限制在仪表能够承受的范围内,电涌防护器需要接地系统的配合。


06 为什么要安装电涌防护器?仪表已经接地了还用电涌防护器吗?

雷击试验证明电涌防护器是保护仪表不受雷电电涌的冲击,减少仪表损坏和相关损失的有效措施,是其他防雷措施不能代替的。其他的防雷措施仅仅能减轻电涌强度。

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07 等电位接地?还是接地实现了等电位?有接地连接不等电位的吗?   

接地连接是手段,等电位是结果,接地连接实现了连接目标的等电位。

等电位连接、接地线的敷设、合理布线等措施已经体现在主要方法的规定中,因此不作为单独方法规定。


08 仪表防雷采用什么接地方式?与通常的接地有什么不同?   

SH/T 3164-2012 《石油化工仪表系统防雷工程设计规范》规定:采用网型结构接地。

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控制室的保护接地、工作接地、本质安全接地、屏蔽接地、电涌防护器接地等仪表系统接地均应就近接到网型结构接地系统。


网型结构避免了接地结构的复杂和不确定性,彻底解决了接地系统的雷电流泄放、地电位差、接地线过长、地线感抗、地电流干扰和多功能接地功效的问题,并且使施工简便易行。



工业用的材料虽然很多,但对石化接地工程来说,规范规定的网型结构接地材料来源和成本已不成问题。



网型结构采用多根接地排连接成网格的形式,根据室内仪表机柜的排列在机柜下方成行设置,接地排在两端及中间连接形成网格接地排。

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网型结构接地排采用截面积≥40mmx4mm(宽x厚)的铜材或热镀锌扁钢焊接制作,安装在机柜底部支撑或支架上,可采用绝缘或非绝缘安装。


网型结构接地排形成了雷电电涌泄放的良好条件,适用于仪表系统所有种类的共用接地。


电涌防护器接地导轨应直接接到机柜下方的接地排或在机柜内就近接到汇流条。


电涌防护器、安全栅、控制系统、直流电源、机柜外壳的接地都可以直接接到网型结构接地排。

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仪表或机柜的所有接地就近接到统一的网型结构接地排,不再区分工作接地和保护接地。

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沿供电电缆路径敷设截面积≥40mmx4mm(宽x厚)的铜材或热镀锌扁钢作为接地排,操作台就近接到接地排。


操作台设备没有仪表工作接地,一些仪表、设备和非金属操作台也没有保护接地,操作台接地仅仅是为金属操作台和个别需要外接保护接地的设备用的,否则可以不设接地排。

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计算机和服务器,是不需要接地的!

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网型接地结构与室外接地装置连为一体,等于把室外接地装置引到室内。


网型结构的室内接地网应采用至少4条截面积≥40mmx4mm(宽x厚)的铜材或热镀锌扁钢接地连接导体,经不同路径、至少两个方向的连接方式分别接到电气接地装置引到室内的接地连接板。接地连接板宜均匀分布。

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连接的路径和导体越多,接地网的效能越好!

仪表或机柜的所有接地就近接到统一的网型结构接地排,不再区分工作接地和保护接地!


接地导线应尽可能短,宜采用直线路径敷设。不得保留多余导线,也不应将导线弯曲盘成环状。


09 继电器、安全栅不能防雷吗?  


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试验证明,继电器会被雷击电涌烧毁。

安全栅是低频小功率器件不能防止雷击电涌。


10 控制室仪表系统的防雷方法?   

控制室设备有机柜屏蔽,因为机柜的钢板屏蔽比建筑物的屏蔽容易控制。

——钢板材料的比机柜或仪表箱是很好的屏蔽体。


机柜、仪表箱和仪表金属外壳等屏蔽体应接地。


机柜和仪表金属外壳的电位升高仅涉及到绝缘的耐压。


雷电防护区界面的等电位连接:

——有的规范规定:电缆屏蔽层或金属管要在雷电防护区界面的等电位连接,实际工程中是不切实际的,甚至是做不到的。

——雷电防护区界面是相对的,电磁场随距离的衰减变化是渐变的而不是突变的,这种规定没有实际意义。


室内电涌防护器:

——仪表电缆进入控制室后,应首先接到电涌防护器,然后再接后续仪表。

——电涌防护器应安装在控制室机柜内。


11 现场仪表的防雷方法?   

现场仪表的防护:

——现场仪表的电涌防护采用屏蔽、接地极安装电涌防护器的方法。

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现场仪表的金属外壳、金属保护箱尽量用全封闭式,并应就近接地:

——钢(铁)板材质为好。


当现场仪表的安装位置有可能形成接闪物体,又无法移位时(例如:油罐顶部等),应采用装进全封闭钢(铁)板材质的仪表保护箱的方式,箱体应接地。


位于爆炸危险场所的仪表及金属支架,应防止出现连接间隙,避免雷电引起火花。


现场仪表金属外壳可通过接地螺钉与金属安装支架相连,或金属设备、容器、塔器和操作平台等设备自然接地。

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非金属设备顶部安装的仪表,应就近接地。


12 现场仪表怎么接地?接到哪儿,一定要拉接地线吗?   

安装支架、仪表保护箱,接线箱及机柜的金属外壳:

——就近与电气接地设施连接或接地的金属体相连接。

——可利用仪表保护钢管、金属支架、金属护栏、金属槽体、金属结构等可靠导电的物体作为接地连接中的某段导体。

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如果有上述接地条件,不要单独拉接地线到接地设施。


所有用于雷电电流泄放的导体、电线、电缆应尽可能短,并采用直线路径敷设,避免弯曲路径,不得保留多余导线或导线盘成环状。

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——由于电感的影响和集肤效应,较短的连接导线比粗的导线对雷电流的导流效果更好。

——导线长度的影响要比导线截面积大得多,导致越短越好,不能用增大导线截面积弥补。

——对于相同的截面积,宜采用扁平形状、多股导线或管状的导体。


仪表防雷工程误解


雷击损坏的途径和作用方式是复杂的、综合的。


每个防护对象的区域、场景、每次雷击的情况都是不同的。


某些事例只能表明一些现场,不能作为充分必要条件,例如:

——采取了某种防雷措施仍然遭受雷击损失,证明这种方法没用;

——采用了某种防雷措施后,效果很好,证明其他防雷方法可以放弃;

——没有防雷工程的装置受雷击损害比邻近有防雷工程的装置还少,证明防雷工程无效。


雷电防护如同打伞防雨淋、安全气囊、开车闯红灯、安全防护。


每一种防护措施都有应用条件和工程条件,如果条件被破坏了,就可能使防护失效,失去防护作用。



总的来说:


建筑物和工厂结构的雷电防护虽然能防止建筑物内和设备及框架下的仪表遭受直击雷,但不能阻挡雷电电磁感应在仪表内部和线路上产生的电涌。


根据GB50057-2010第三章节确定设置了雷电防护的建筑物说明该建筑物及附近区域具有明确的雷电风险,内部的电子设备处于易遭受雷电电涌袭击的危险环境之中。


雷电试验证明电涌防护器是保护仪表不受雷电电涌的冲击,减少仪表损坏和相关损失的最有效措施,是其他防雷措施不能代替的。 


电涌防护器需要接地系统的配合,其他防雷措施仅仅能减轻电涌强度。


网型结构简化了其他接地结构的复杂和不确定性,彻底解决了接地系统的接地线过长,雷电流泄放、地电位差、地线感抗、地电流干扰和不同接地功效的问题,经过十余年的工程实践证明非常有效,并使施工简便易行。



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本文转自:仪表圈

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