一、总体设计原则

1.1分层防护：采用“外部防雷（接闪、引下）+ 内部防雷（屏蔽、接地、SPD）”的分层策略，形成“天面防直击雷—线路防传导雷—设备防感应雷”的多级屏障。

1.2等电位连接：通过均压等电位连接减少电位差，避免反击雷对变送器的损害（如变送器外壳与金属电缆穿线管连接）。

1.3信号与电源隔离：对变送器的信号线路（如4-20mA）与电源线路分别设计防护，防止浪涌通过电源耦合干扰信号（如电源端加装TVS管，信号端串联TVS管）。

1.4防爆适配：在氢气、乙炔等爆炸性危险区域，变送器需选用隔爆型（Ex db Gb）或本安型（Ex ia Ga），并与安全栅配合使用，确保防雷设计符合防爆要求。

二、核心防雷措施

2.1信号线路防护：SPD选型与多级配置

变送器的信号线路（如4-20mA、RS485、HART）是雷电感应的主要入侵途径，需采用多级SPD防护（电源端+信号端），确保浪涌能量在到达变送器前被有效衰减。

电源端SPD选型：

变送器的供电电源（通常为24VDC）需加装电源浪涌保护器，参数要求：

最大持续运行电压（Uc）：≥36VDC（覆盖24VDC电源的波动范围）；

标称放电电流（In）：≥5kA（8/20μs波形，应对一般雷击浪涌）；

电压保护水平（Up）：≤60V（低于变送器的耐受电压，如24VDC变送器的耐受电压约为30V）；

响应时间：≤5ns（快速抑制瞬态过电压）。

例如，两线制变送器的电源端口可加装压敏电阻（MOV）或TVS管，实现电源浪涌的初级防护。

信号端SPD选型：

变送器的信号线路（如4-20mA、HART）需加装信号浪涌保护器，参数要求：

工作电压：匹配变送器的信号电压（如4-20mA信号的电压为1-5V，RS485信号的电压为±5V）；

钳位电压（Up）：≤信号设备的耐受电压（如HART协议的耐受电压约为±10V）；

带宽：覆盖变送器的信号频率（如4-20mA信号的带宽为0-10Hz，RS485信号的带宽为10MHz）；

插入损耗：≤0.5dB（确保信号传输衰减在允许范围内）。

例如，4-20mA信号的信号端口可串联双向TVS管（如P6KE系列），钳位电压≤6V，响应时间≤1ns，有效抑制共模与差模浪涌；RS485信号的信号端口可采用三端TVS管，实现A、B线的差模防护与屏蔽层的共模防护。

多级防护电路设计：

对于高雷击风险区域的变送器（如露天安装的压力变送器），需采用三级防护：

第一级：气体放电管（GDT），泄放高能量浪涌（通流容量≥10kA），限制共模电压；

第二级：TVS管，快速钳位差模电压（钳位电压≤30V）；

第三级：安规电容+限流电阻，进一步抑制残压（残压≤20V）。

例如，智能变送器的信号线路可设计为“GDT→TVS→安规电容”的三级防护，确保浪涌能量被逐步衰减。

2.2接地与屏蔽：等电位连接与浪涌泄放

接地是变送器防雷设计的关键，需实现等电位连接，确保浪涌电流通过接地系统快速泄放，避免反击雷。

接地系统设计：

变送器的保护接地：需接至厂区电气系统接地网，接地电阻≤4Ω（若厂区接地网电阻较大，需独立设置仪表接地系统，电阻≤4Ω）；

变送器的工作接地（信号回路接地、屏蔽接地）：可采用单点接地（如在控制室侧接地），避免地环路干扰；

现场变送器的防雷接地：可采用“变送器本体连接到已接地的金属电缆穿线管”的方式，实现等电位连接（如金属电缆穿线管已接地，变送器外壳与穿线管连接，形成等电位）

屏蔽措施：

信号电缆：采用双层屏蔽电缆（如铠装屏蔽电缆），外屏蔽层（铠装层）穿钢管埋地敷设，内屏蔽层（铜网）在控制室侧单点接地；

电源电缆：采用带金属屏蔽层的电缆，屏蔽层在电源端（如MCC侧）与控制室侧单点接地；

变送器外壳：采用金属外壳（如316L不锈钢），并与金属电缆穿线管连接，形成等电位。

2.3电缆敷设：避免干扰与浪涌耦合

电缆敷设需遵循“信号与电源分离、屏蔽与接地规范”的原则，减少浪涌通过电缆传导至变送器。

电缆选型：

信号电缆：优先选用双层屏蔽电缆（如铠装屏蔽电缆），适用于室外或强电磁干扰环境；

电源电缆：选用带金属屏蔽层的电缆，或与信号电缆分开敷设（间距≥30cm）；

电缆穿管：室外电缆需穿钢管埋地敷设（埋深≥0.7m），钢管两端接地（如与变送器的金属外壳连接）

敷设规范：

信号电缆与电源电缆：严禁混用同一根多芯电缆，需分别敷设或在同一槽架内用隔板严格分离（间距≥10cm）；

电缆弯曲半径：信号电缆的弯曲半径≥10倍外径（光缆≥15倍外径），避免屏蔽层损坏；

电缆接头：中间接头需采用防爆接线盒，并做好防水与接地（如接头处与钢管连接）。

2.4防爆设计：危险区域的特殊要求

在氢气、乙炔、氨气等爆炸性危险区域（0区、1区、2区），变送器的防雷设计需符合防爆标准（如IEC 60079、GB 3836），确保不会因防雷措施引发爆炸。

变送器选型：

0区（连续或长期存在爆炸性气体）：选用本安型变送器（Ex ia Ga），配隔离式安全栅（Ex ia Ga）；

1区（正常运行时可能出现爆炸性气体）：选用隔爆型变送器（Ex db Gb），防爆等级≥Ex db ⅡC T4 Gb；

2区（正常运行时不太可能出现爆炸性气体）：选用隔爆型或本安型变送器，防爆等级≥Ex db ⅡB T4 Gb。

接线箱设计：

危险区域的变送器接线箱需选用增安型（Ex eb Gb）或隔爆型（Ex db Gb），并与安全栅配合使用（如安全栅安装在控制室，接线箱安装在现场，通过安全栅实现本安隔离）。

2.5系统冗余与测试：确保防护有效性

SPD冗余设计：对于关键变送器（如主工艺管道的压力变送器），可采用双路SPD冗余（如主SPD与备用SPD并联），确保一路SPD失效时，另一路仍能正常工作；

定期测试：每季度测试接地电阻（≤4Ω），每年雷雨季前检查SPD的状态（如失效指示灯是否亮起），累计≥3次失效后强制更换SPD；

模拟测试：采用浪涌发生器模拟雷击浪涌（如8/20μs波形，电流≥5kA），测试变送器的抗浪涌能力（如输出信号是否稳定，是否损坏）。

三、实施与维护要点

3.1施工规范：

SPD安装位置：靠近变送器（距离≤0.5m），减少连接线长度（≤0.5m），避免浪涌电压叠加；

连接线要求：SPD的连接线需采用多股铜芯线（截面积≥4mm2），颜色区分（如电源端用红色，信号端用蓝色），避免与电源线混淆；

接地标识：接地端子需标注“PE”（保护接地），便于维护。

3.2检测与维护：

接地电阻测试：每季度用接地电阻测试仪测试接地电阻（≤4Ω），若电阻超过阈值，需检查接地极或接地线路；

SPD状态检查：每年雷雨季前检查SPD的失效指示灯（如红灯亮表示失效），累计≥3次失效后更换SPD；

电缆绝缘测试：每半年用兆欧表测试电缆绝缘电阻（≥100MΩ），避免电缆老化导致漏电。

四、典型案例参考

案例1：露天压力变送器的防雷改造：

某石化装置的露天压力变送器（4-20mA输出）因雷击损坏，改造措施包括：

电源端加装压敏电阻（MOV）（Uc=36VDC，In=5kA）；

信号端串联TVS管（钳位电压=6V，响应时间=1ns）；

电缆穿钢管埋地敷设（埋深=0.8m），钢管两端接地；

变送器外壳与钢管连接，形成等电位。

改造后，该变送器在后续雷雨季节未发生损坏。

案例2：危险区域温度变送器的防雷设计：

某氢气装置的温度变送器（PT100输入，4-20mA输出）安装在1区（爆炸性气体环境），设计措施包括：

选用隔爆型温度变送器（Ex db ⅡC T4 Gb）；

电源端与信号端均加装SPD（电源端：MOV，Uc=36VDC；信号端：TVS，钳位电压=6V）；

电缆采用双层屏蔽电缆（铠装层穿钢管埋地，内屏蔽层在控制室侧单点接地）；

接线箱选用隔爆型（Ex db Gb），并与安全栅配合使用。

改造后，该变送器运行至今未发生雷击损坏。