一、總體設(shè)計(jì)原則

1.1分層防護(hù)：采用“外部防雷（接閃、引下）+ 內(nèi)部防雷（屏蔽、接地、SPD）”的分層策略，形成“天面防直擊雷—線路防傳導(dǎo)雷—設(shè)備防感應(yīng)雷”的多級(jí)屏障。

1.2等電位連接：通過均壓等電位連接減少電位差，避免反擊雷對(duì)變送器的損害（如變送器外殼與金屬電纜穿線管連接）。

1.3信號(hào)與電源隔離：對(duì)變送器的信號(hào)線路（如4-20mA）與電源線路分別設(shè)計(jì)防護(hù)，防止浪涌通過電源耦合干擾信號(hào)（如電源端加裝TVS管，信號(hào)端串聯(lián)TVS管）。

1.4防爆適配：在氫氣、乙炔等爆炸性危險(xiǎn)區(qū)域，變送器需選用隔爆型（Ex db Gb）或本安型（Ex ia Ga），并與安全柵配合使用，確保防雷設(shè)計(jì)符合防爆要求。

二、核心防雷措施

2.1信號(hào)線路防護(hù)：SPD選型與多級(jí)配置

變送器的信號(hào)線路（如4-20mA、RS485、HART）是雷電感應(yīng)的主要入侵途徑，需采用多級(jí)SPD防護(hù)（電源端+信號(hào)端），確保浪涌能量在到達(dá)變送器前被有效衰減。

電源端SPD選型：

變送器的供電電源（通常為24VDC）需加裝電源浪涌保護(hù)器，參數(shù)要求：

最大持續(xù)運(yùn)行電壓（Uc）：≥36VDC（覆蓋24VDC電源的波動(dòng)范圍）；

標(biāo)稱放電電流（In）：≥5kA（8/20μs波形，應(yīng)對(duì)一般雷擊浪涌）；

電壓保護(hù)水平（Up）：≤60V（低于變送器的耐受電壓，如24VDC變送器的耐受電壓約為30V）；

響應(yīng)時(shí)間：≤5ns（快速抑制瞬態(tài)過電壓）。

例如，兩線制變送器的電源端口可加裝壓敏電阻（MOV）或TVS管，實(shí)現(xiàn)電源浪涌的初級(jí)防護(hù)。

信號(hào)端SPD選型：

變送器的信號(hào)線路（如4-20mA、HART）需加裝信號(hào)浪涌保護(hù)器，參數(shù)要求：

工作電壓：匹配變送器的信號(hào)電壓（如4-20mA信號(hào)的電壓為1-5V，RS485信號(hào)的電壓為±5V）；

鉗位電壓（Up）：≤信號(hào)設(shè)備的耐受電壓（如HART協(xié)議的耐受電壓約為±10V）；

帶寬：覆蓋變送器的信號(hào)頻率（如4-20mA信號(hào)的帶寬為0-10Hz，RS485信號(hào)的帶寬為10MHz）；

插入損耗：≤0.5dB（確保信號(hào)傳輸衰減在允許范圍內(nèi)）。

例如，4-20mA信號(hào)的信號(hào)端口可串聯(lián)雙向TVS管（如P6KE系列），鉗位電壓≤6V，響應(yīng)時(shí)間≤1ns，有效抑制共模與差模浪涌；RS485信號(hào)的信號(hào)端口可采用三端TVS管，實(shí)現(xiàn)A、B線的差模防護(hù)與屏蔽層的共模防護(hù)。

多級(jí)防護(hù)電路設(shè)計(jì)：

對(duì)于高雷擊風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的變送器（如露天安裝的壓力變送器），需采用三級(jí)防護(hù)：

第一級(jí)：氣體放電管（GDT），泄放高能量浪涌（通流容量≥10kA），限制共模電壓；

第二級(jí)：TVS管，快速鉗位差模電壓（鉗位電壓≤30V）；

第三級(jí)：安規(guī)電容+限流電阻，進(jìn)一步抑制殘壓（殘壓≤20V）。

例如，智能變送器的信號(hào)線路可設(shè)計(jì)為“GDT→TVS→安規(guī)電容”的三級(jí)防護(hù)，確保浪涌能量被逐步衰減。

2.2接地與屏蔽：等電位連接與浪涌泄放

接地是變送器防雷設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，需實(shí)現(xiàn)等電位連接，確保浪涌電流通過接地系統(tǒng)快速泄放，避免反擊雷。

接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

變送器的保護(hù)接地：需接至廠區(qū)電氣系統(tǒng)接地網(wǎng)，接地電阻≤4Ω（若廠區(qū)接地網(wǎng)電阻較大，需獨(dú)立設(shè)置儀表接地系統(tǒng)，電阻≤4Ω）；

變送器的工作接地（信號(hào)回路接地、屏蔽接地）：可采用單點(diǎn)接地（如在控制室側(cè)接地），避免地環(huán)路干擾；

現(xiàn)場變送器的防雷接地：可采用“變送器本體連接到已接地的金屬電纜穿線管”的方式，實(shí)現(xiàn)等電位連接（如金屬電纜穿線管已接地，變送器外殼與穿線管連接，形成等電位）

屏蔽措施：

信號(hào)電纜：采用雙層屏蔽電纜（如鎧裝屏蔽電纜），外屏蔽層（鎧裝層）穿鋼管埋地敷設(shè)，內(nèi)屏蔽層（銅網(wǎng)）在控制室側(cè)單點(diǎn)接地；

電源電纜：采用帶金屬屏蔽層的電纜，屏蔽層在電源端（如MCC側(cè)）與控制室側(cè)單點(diǎn)接地；

變送器外殼：采用金屬外殼（如316L不銹鋼），并與金屬電纜穿線管連接，形成等電位。

2.3電纜敷設(shè)：避免干擾與浪涌耦合

電纜敷設(shè)需遵循“信號(hào)與電源分離、屏蔽與接地規(guī)范”的原則，減少浪涌通過電纜傳導(dǎo)至變送器。

電纜選型：

信號(hào)電纜：優(yōu)先選用雙層屏蔽電纜（如鎧裝屏蔽電纜），適用于室外或強(qiáng)電磁干擾環(huán)境；

電源電纜：選用帶金屬屏蔽層的電纜，或與信號(hào)電纜分開敷設(shè)（間距≥30cm）；

電纜穿管：室外電纜需穿鋼管埋地敷設(shè)（埋深≥0.7m），鋼管兩端接地（如與變送器的金屬外殼連接）

敷設(shè)規(guī)范：

信號(hào)電纜與電源電纜：嚴(yán)禁混用同一根多芯電纜，需分別敷設(shè)或在同一槽架內(nèi)用隔板嚴(yán)格分離（間距≥10cm）；

電纜彎曲半徑：信號(hào)電纜的彎曲半徑≥10倍外徑（光纜≥15倍外徑），避免屏蔽層損壞；

電纜接頭：中間接頭需采用防爆接線盒，并做好防水與接地（如接頭處與鋼管連接）。

2.4防爆設(shè)計(jì)：危險(xiǎn)區(qū)域的特殊要求

在氫氣、乙炔、氨氣等爆炸性危險(xiǎn)區(qū)域（0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)），變送器的防雷設(shè)計(jì)需符合防爆標(biāo)準(zhǔn)（如IEC 60079、GB 3836），確保不會(huì)因防雷措施引發(fā)爆炸。

變送器選型：

0區(qū)（連續(xù)或長期存在爆炸性氣體）：選用本安型變送器（Ex ia Ga），配隔離式安全柵（Ex ia Ga）；

1區(qū)（正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)爆炸性氣體）：選用隔爆型變送器（Ex db Gb），防爆等級(jí)≥Ex db ⅡC T4 Gb；

2區(qū)（正常運(yùn)行時(shí)不太可能出現(xiàn)爆炸性氣體）：選用隔爆型或本安型變送器，防爆等級(jí)≥Ex db ⅡB T4 Gb。

接線箱設(shè)計(jì)：

危險(xiǎn)區(qū)域的變送器接線箱需選用增安型（Ex eb Gb）或隔爆型（Ex db Gb），并與安全柵配合使用（如安全柵安裝在控制室，接線箱安裝在現(xiàn)場，通過安全柵實(shí)現(xiàn)本安隔離）。

2.5系統(tǒng)冗余與測試：確保防護(hù)有效性

SPD冗余設(shè)計(jì)：對(duì)于關(guān)鍵變送器（如主工藝管道的壓力變送器），可采用雙路SPD冗余（如主SPD與備用SPD并聯(lián)），確保一路SPD失效時(shí)，另一路仍能正常工作；

定期測試：每季度測試接地電阻（≤4Ω），每年雷雨季前檢查SPD的狀態(tài)（如失效指示燈是否亮起），累計(jì)≥3次失效后強(qiáng)制更換SPD；

模擬測試：采用浪涌發(fā)生器模擬雷擊浪涌（如8/20μs波形，電流≥5kA），測試變送器的抗浪涌能力（如輸出信號(hào)是否穩(wěn)定，是否損壞）。

三、實(shí)施與維護(hù)要點(diǎn)

3.1施工規(guī)范：

SPD安裝位置：靠近變送器（距離≤0.5m），減少連接線長度（≤0.5m），避免浪涌電壓疊加；

連接線要求：SPD的連接線需采用多股銅芯線（截面積≥4mm2），顏色區(qū)分（如電源端用紅色，信號(hào)端用藍(lán)色），避免與電源線混淆；

接地標(biāo)識(shí)：接地端子需標(biāo)注“PE”（保護(hù)接地），便于維護(hù)。

3.2檢測與維護(hù)：

接地電阻測試：每季度用接地電阻測試儀測試接地電阻（≤4Ω），若電阻超過閾值，需檢查接地極或接地線路；

SPD狀態(tài)檢查：每年雷雨季前檢查SPD的失效指示燈（如紅燈亮表示失效），累計(jì)≥3次失效后更換SPD；

電纜絕緣測試：每半年用兆歐表測試電纜絕緣電阻（≥100MΩ），避免電纜老化導(dǎo)致漏電。

四、典型案例參考

案例1：露天壓力變送器的防雷改造：

某石化裝置的露天壓力變送器（4-20mA輸出）因雷擊損壞，改造措施包括：

電源端加裝壓敏電阻（MOV）（Uc=36VDC，In=5kA）；

信號(hào)端串聯(lián)TVS管（鉗位電壓=6V，響應(yīng)時(shí)間=1ns）；

電纜穿鋼管埋地敷設(shè)（埋深=0.8m），鋼管兩端接地；

變送器外殼與鋼管連接，形成等電位。

改造后，該變送器在后續(xù)雷雨季節(jié)未發(fā)生損壞。

案例2：危險(xiǎn)區(qū)域溫度變送器的防雷設(shè)計(jì)：

某氫氣裝置的溫度變送器（PT100輸入，4-20mA輸出）安裝在1區(qū)（爆炸性氣體環(huán)境），設(shè)計(jì)措施包括：

選用隔爆型溫度變送器（Ex db ⅡC T4 Gb）；

電源端與信號(hào)端均加裝SPD（電源端：MOV，Uc=36VDC；信號(hào)端：TVS，鉗位電壓=6V）；

電纜采用雙層屏蔽電纜（鎧裝層穿鋼管埋地，內(nèi)屏蔽層在控制室側(cè)單點(diǎn)接地）；

接線箱選用隔爆型（Ex db Gb），并與安全柵配合使用。

改造后，該變送器運(yùn)行至今未發(fā)生雷擊損壞。