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摘要：雷电有着极其强大的破坏力，会给人类生命财产安全带来巨大的危害。尤其是基于大规模微电子器件的自控仪表与分散控制系统，由于耐压低，对电磁脉冲特别敏感。伴随着雷电产生的雷电电磁脉冲，以电磁感应作用和电流波形式，引起的各种过电压可达数百乃至数千、数万伏，使仪表与控制系统遭受雷击干扰和损害的可能性日趋增多，轻者导致现场仪表或DCS系统损坏，重者造成生产装置停车，给工厂带来严重的损失。本文对仪表及DCS控制系统的防雷进行分析。
关键词：仪表；DCS控制系统；防雷；分析
1雷电的基本特征
作为源干雷云与地之间大气的放电，雷云与雷云之间的放电和云内的放电的一种大气物理现象，雷电对于目前的技术手段来说，很难进行消除和阻止。需要注意的是，在其过程中产生的雷电电磁脉冲（LEMP），作为一次雷击事件的主要物理表征，一般是通过路以电流脉冲波形式呈现。当LEMP不断完全泄放、耗尽，这样就算雷击事件结束，但是整个过程持续时间很短，一般为几微秒至几百微秒。侵入自动化及仪表控制系统的雷电流对于系统的供电线路、信号（数据）线路、控制线路时浪涌，能够使得电子设备微电子器件严重烧毁，若果雷电击更为厉害时，可以会致使电阻过热引起爆炸和火灾。
2雷击对仪表的破坏分析
2.1雷击的分类
雷可分为三种，云内雷、云际雷和云地雷。而对仪表系统破坏起主要作用的是云地雷，云地雷的破坏方式可分为直击雷和感应雷。
2.2直击雷和感应雷对仪表的破坏分析
（1）直击雷。直击雷，指的是天上的雷云中的雷电荷，通过雷电的形式，直接击打在人、动物、树木和建筑物上。直击雷的特点是造成的能量巨大，通过产生的电效应、机械效应等左右，使人、动植物伤亡，将建筑物摧毁。如果电线、天线和信号传输线等遭受雷击，就可能会使相连的电路板等烧坏，使线路之间产生短路，迫使电力传输、信号传输中断。更坏的情况会使仪表系统受到破坏。（2）感应雷。感应雷，指的是雷云与雷云之间或雷云对地面进行放电，从而使在其附近的导电物体产生应电压。产生的感应电压通过导体被传送到相关的仪表等设备，间接的对其或控制系统造成危害。对于一个控制系统来说，仪表是最主要的，而感应雷对仪表造成的危害是最大的，而仪表遭受的雷击损失，绝大多数是由感应雷引起的。
2.3仪表自身分析
目前，常用的仪表基本上都是采用集成电路和微电子设备，仪表的精确度因此而得到提高。但是正式因为采用集成电路，所以其抗雷击能力就比较脆弱。一旦发生雷雨天气，仪表设备就会遭受到雷击，使相关设备遭受破坏。
3雷电侵入仪表控制系统的途径
雷电对仪表控制系统的危害主要是通过直击雷和雷电电磁脉冲干扰（也称雷电波）两种形式。
直击雷造成地位浮动而导致雷电反击。控制系统建筑物的防直击雷装置在接闪时，强大的瞬间雷电流通过引下线流入接地装置，会使局部地电位浮动并产生跨步电压，若防雷的接地装置是独立的，它和控制系统的接地体没有足够的绝缘距离，则它们之间会产生放电，这种现象称为雷电反击，它会对控制室内的DCS系统产生干扰甚至破坏。
雷电电磁脉冲干扰是指强大的雷闪电流产生的脉冲电磁场。当控制系统建筑物的防雷直击装置接闪时，在引下线内会通过强大的瞬间雷电流。如果在引下线周围一定距离内设有连接DCS系统的电源、通信以及I/O电缆，则引下线内的雷电流会对DCS的电缆产生电磁辐射，将雷电波引入DCS系统，干扰或损坏DCS系统。当控制系统周围发生雷击放电时，空间辐射的电磁场会在各种金属管道、电缆线路上产生感应电压（包括电磁感应和静电感应），从而使仪表控制系统失灵或损坏。
4仪表及DCS系统防雷的主要措施
4.1接闪
对高层金属构架、壁厚大于4mm的金属密闭容器及管道直接接地，接地点不应少于两处，两接地点距离不大于30m，若大于30m增加接地点，冲击接地电阻不应大于30Ω。这种做法，就是要构架、容器、管道等本身承担接闪器和引下线的作用，与接地装置组合成一个完整的防雷装置。壁厚大于4mm的金属设备和管道，当雷电对其直击后，不会对其造成损伤。由于仪表分布在装置的金属构架中，也受到了保护。而电缆则分布在装置的各个区域，一些区域内的电缆桥架离开了装置区，处于空旷地带，有遭受直击雷的可能。遇到这种情况，可以采用避雷针来解决，将这些电缆置于避雷针的保护区域内，但必须注意，避雷针要和被保护的桥架保持一定距离，以防止产生“二次雷击”。
4.2接地
仪表系统应用中必须解决的问题就是接地问题。目前仪表控制系统的接地主要有两种措施：浮地、多点接地。（1）浮地是指仪表的工作地与建筑物的接地系统保持绝缘，这样建筑物接地系统中的电磁干扰就不会传导到仪表系统中，地电位的变化对仪表系统也无影响。但由于仪表的外壳要进行保护接地，当雷电较强时，仪表外壳与其内部电子电路之间可能出现很高的电压，将两者之间绝缘间隙击穿，造成电子线路损坏。（2）多点接地是指DCS、仪表（变送器、执行器等）、PLC等设备的工作接地与保护接地分开，这种接地方式的突出优点是可以就近接地，接地线的寄生电感小。但是如果较强的雷电波通过保护地进入系统，电子电路同样会因承受高压而损坏。因此上述两种接地方式都不能满足防雷的需要。因此，应考虑将保护接地与工作地相连接，即对DCS系统和防雷系统的接地系统进行等电位联接后接入防雷接地系统，即使受到雷电反击，由于它们之间不存在电位差，所以不可能通过雷电反击构成对电子元件的威胁。等电位联接是仪表及DCS系统免遭雷击的重要措施。同时DCS系统实行单点接地，即一个接地基准点（ERP），各接地汇流排应采用分类汇总，汇总应尽量靠近ERP。
4.3电涌保护
电涌保护以外部防雷保护为前提，电涌保护也应与内部防雷保护其他措施（等电位连接，屏蔽）密切配合。电涌保护主要是保护电子设备免受雷电电涌的危害，也兼而使电子设备免受大部分操作电涌的危害。电涌是指瞬态电冲击，包括电涌冲击、电流冲击和功率冲击。此处所谓瞬态是指持续时间大大低于工频周期（.02s）的瞬变过程。雷电和操作电涌的峰值与很多因素有关，出现在建筑物内的电涌从近千伏到几十千伏，如不加以限制会损坏电子设备。电涌保护器并联在被保护设备两端，通过泄放浪涌电流、限制浪涌电压来保护电子设备。
4.4屏蔽
仪表控制系统大量采用半导体器件、集成电路和传递信号的电缆，由雷击产生的瞬态电磁脉冲可以直接辐射到这些元器件上，也可以在电源或信号线上感应出瞬态过电压波，沿线路侵入电子设备，使电子设备工作失灵或损坏。利用屏蔽体来阻挡或衰减电磁脉冲的能量传播是一种有效的防护措施。主要包括三个方面：现场仪表屏蔽、控制室屏蔽、信号线和电源线屏蔽。
（1）现场仪表屏蔽。现场仪表可采用金属的仪表箱实现防雷屏蔽，仪表箱要与其它金属设施实现等电位连接，并接入防雷接地系统。（2）控制室屏蔽。控制室是DCS系统的心脏，对雷电产生的电磁脉冲十分敏感，需要特别注意其屏蔽问题。将控制室的墙和层面内的钢筋、金属门窗等进行等电位联接，构成一个屏蔽笼，即法拉第笼，从而减少雷电脉冲的影响。同时在室内沿墙壁四周再做一圈保护接地环，接地环与法接第笼进行有效的电气连接。（3）信号线和电源屏蔽。为防止雷电电磁脉冲在信号或电源线路上感应出瞬态过电压波，所有的信号线及低压电源线都应采用有金属屏蔽层的电缆。对信号电缆的屏蔽接地，原则上是规定一端接地，另一端悬空。但单端接地只能防静电感应（即电容性耦合），不能防磁场强度变化所感应的电压（即电感性耦合），无助于阻碍电波的侵入。为了减少屏蔽芯线的感应电压，仅在屏蔽层一端做等电位联接的情况下，应采用有绝缘隔开的双层屏蔽，外层屏蔽应至少在两端作等电位联接。在这种情况下外屏蔽层与其它同样做了等电位联接的导体构成了环路，产生减低源磁场强度的磁通，从而基本上可抵消无外层屏蔽层时所感应的电压。为此，也可以利用金属走线槽或穿线管作为第二屏蔽层并用两端接地的方法来实现。从防雷的角度来看，走线槽应选择金属材质，而不应采用环氧树脂。另外对外部的电缆，地外室外的敷设段尽量采用埋地方式，以形成线路屏蔽，减少雷击可能。
5结语
总之，为了防止或减少雷击导致现场仪表及DCS系统的故障和损坏，确保仪表及DCS系统的可靠、稳定运行，在遵守有关国家及行业标准的基础上，要对整个仪表控制系统根据等电位联接的原则加以设计，从控制室、I/0卡件、现场仪表、仪表信号电缆和电源线等方面综合考虑，采用接闪、均压、接地、屏蔽等多种措施，同时需要电气、建筑、自控等专业共同合作来实现。除了考虑系统安全性以外，应贯彻经济、实用、高标准、严要求、高可靠性的原则，同时不断摸索和完善仪表及其DCS系统防雷方法、措施。
参考文献：
[1]雷电对仪表控制系统和地埋管道的危害及防护[J].姜克强.中国设备工程.2012（09）
[2]自动化仪表控制系统技术探析[J].韩学俊.科技经济市场.2015（07）