计量仪表与罐区仪表大多露天安装，极易受雷电侵害。例如某公司在2016年8月的一天内，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。损坏的形式有的是智能化仪表的程序被冲掉，有的是硬件损坏，甚至印板、端子排被烧焦。
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的正常进行和管理的正常秩序。仪表防雷该如何做？防雷系统改进后效果如何？
现代计量仪表大多以微电子器件为核心，能耐受的电压很低，而且仪表的分布大多较分散，安装场所很多是露天，故仪表受到雷电伤害的可能性大大增加。目前仪表防雷的主要方式有电磁屏蔽、等电位接地、合理选用电涌保护器等几种，那么，具体该怎么做呢？
01
电磁屏蔽
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：
所有信号电缆均采用屏蔽双绞线。对电缆的屏蔽，工信部于2014年发布的《仪表系统接地设计规定》(HG/T 20513-2014)对屏蔽电缆的接地，原则上是规定一端接地，另一端悬空。
关于一端接地的要求是仪表等专业特有的，电气专业的工程师对这一要求完全不理解，他们认为将电气设备或家用电器的外壳接地之后，将泄漏到外壳上的电荷引向大地，从而不存在高电位，人身安全就有保障了。对于电子式仪表来说，需解决的问题不仅仅是人身安全问题，更重要的是将外界电磁场干扰屏蔽掉，也就是将干扰拒之门外。在仪表信号传输中，强调采用金属屏蔽线，就是要解决屏蔽问题。
在仪表有关规程中强调传输信号的导线采用双绞的形式也是很有道理的。电气专业的工程师在选用两芯线时喜欢用平行线，因为这种线缆既平整美观又使用方便，但是对于仪表专业来说是个大忌，因为外界电磁场对两根线的干扰并非绝对对称，于是两根平行线上的感生电动势就有可能出现差异，此差异最后叠加到仪表信号输入端，就引起测量误差。
屏蔽电缆穿钢管保护或封闭的钢制线槽保护，尽量避免裸露于钢质保护管之外。
强调钢管保护也是极其重要的。这一层钢管不仅保护管内的线缆不受机械损伤，更重要的是对线缆外面可能存在的电磁干扰及其雷电产生的电磁脉冲予以屏蔽，使之不受伤害。有的仪表工程师不明白这个道理，用PVC硬管代替钢管，以致雷电到来时，被雷打坏了不少仪表才如梦初醒。
此保护管、走线槽必须中间连接良好，例如在两根钢管连接处，用电气专业的电气夹头和截面积为1.5mm2的铜导线，将两段管子作电气连接。这一点也不是多余的。因钢管与钢管的连接，表面上看是金属与金属之间的连接，已经通了，殊不知这样的连接在电气性能上并不牢靠。此保护管、走线槽必须两端接地。
在GB 50343-2012中，要求钢制保护管尽可能埋地敷设，以增强屏蔽效果。
利用建筑物本身屏蔽。
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，使之形一个法拉第笼，从而形成对建筑物内的仪表电子设备及线路的外层保护。
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，也能收到很好的屏蔽效果。
02
等电位接地
在GB 50057中对建筑物防雷做了具体的规定，按此标准建的覆盖面积很大的防雷接地网，安装在设备上、管道上的变送器、传感器、二次表的接地，与此公共接地网相连，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，形成了一个等电位体，因此免受了雷电的影响。
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。
以上海的一幢88层大厦为例，就建筑物本身来说，有完善的防雷系统，可很好地抵御直击雷的侵袭。大厦内设有一百多套以流量计为主要设备的计量仪表以及计算机数据采集系统，仪表的全部I/O线、通讯线、电源线均采用双绞屏蔽电缆，并穿钢管保护，而且按规定接地，220V AC电源从电气专业的配电箱引来。仪表系统未采用电涌保护器。仪表投运17年以来，未发生过一次雷电损坏事故。仪表的三层屏蔽如下图所示。
三层屏蔽示意
03
合理选用电涌保护器
电涌保护器（SPD）是一种抵制传导来的线路过电压和过电流的装置。包括放电间隙、压敏电阻、齐纳二极管或雪崩二极管、滤波器等。前面所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消灭架空线。这与居民小区和马路边上，架空线仍旧很多的情况相似。
这时必须借助于SPD对仪表及系统进行防雷保护。
有可能受到电涌伤害的部位很多，例如：电源、AI口、DI口，AO口、DO 口、通讯口等，就像一台简单的蒸汽流量计，就有电源、流量信号输入口、压力信号输入口、温度信号输入口、4~20mA 信号输出口、通讯信号接口等6个口，如果每一个口都配备定型的SPD，那就要增加很多设备和相应的投资。
每个口可能引入的电涌强度各不相同，对付电涌的方法也各不相同，所以要根据具体情况，采取适当的措施，既要有效又要经济合理。
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能正常工作。对于加载通讯信号的回路需注意SPD带宽，确保正常信号通过。
GB 50343 规定，机房内的SPD接地端，应采用截面积不小于1.5mm2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。
防雷系统改进的实例
江苏某热电公司，地处长江边上，配置有几十套蒸汽流量计，分布在一个工业园区，全部为露天安装。以前每年雷雨季节都有好几台仪表被雷打坏。因雷电损坏的仪表类型有：
3051TG型压力变送器：输出部分坏；
FT8600型GPRS无线数据收发器：数字通讯口坏；
DY系列涡街流量计：转换器内数据被冲;输出部分损坏；
FC6000型流量演算器：I/0 口损坏。
笔者接受委托去现场进行调查和诊断，发现该热网的每一台流量计的I/O口信号线、数字通讯口信号线，已全部采用带金属屏蔽层的电缆，但电线保护管，全部采用PVC硬管，显然不符合规程要求。笔者建议委托方采取两项改进措施。其一是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。其二是合理配置电涌保护器。
委托方考虑第一项改进措施工程量太大，对于此历史遗留问题，暂不实施。先实施第二项改进措施，如果效果不理想，再实施第一项改进措施。
在增设SPD的过程中，首先遇到的问题是在哪些节点设置SPD，其次是选何种类型的SPD。
因为每一个蒸汽流量计量表，就有流量输入信号、压力输入信号、温度输入信号、模拟输出信号、数字通讯口、电源接入口等多个节点，如果全面采用定型的 SPD，投资相当可观。经研究讨论，第一步采用简化方案，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230V AC；各I/O口增400W双向TVS 保护器。然后观察效果。由于TVS很便宜，固定在端子排上也不困难，所以设备材料费一共没多少钱。
这项措施的效果十分显著，实施五年以来，再未发生过仪表因雷电而损坏。
关于TVS，作如下补充。TVS(Transient Voltage Suppressor)全称是瞬态抑制二极管，是雪崩二极管的一种，它工作在二极管的反向击穿区，当瞬间浪涌出现时，能以其瞬间翻转特性立即响应。将原来的高阻抗瞬间变为低阻抗。从而起到分流限压的作用，保护负载不被损坏。它具有箝位电压低和响应速度快的优点。位电压最低的一档仅6V。系列化的TVS产品，标称限压在6V到440V之间有几十档规格,瞬态功率有200W、400W、500W、600W、1.5kw、3kw、skW、15 kW、20 kW、30 kW 等多种。仪表的I/O信号线由于已经有金属屏蔽层保护，雷电电磁脉冲已被大大削弱，所以TVS用不着太大的瞬态功率。本实例中所使用的TVS共两种规格:
RS485数字通讯口选用6.8V、400W 双向TVS；
其余I/O口选用 32V、400W 双向 TVS。
这两种TVS的外形尺寸如下图所示。
小功率TVS外形
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10ns。
仪表防雷的重要性不容忽视，作为关键设备，承担着重要的测量和监控任务，一旦受到雷击损坏，将会给生产和生活带来严重的影响。因此，加强仪表防雷工作，选择合适的防雷措施，保障仪表设备的安全稳定运行至关重要。你的现场防雷是如何做的？欢迎评论区留言，分享经验，共同学习！↓↓↓
