王 沖

(中國(guó)海誠(chéng)工程科技股份有限公司，上海 200031)

1 引言

沼氣工程中室外罐區(qū)儀表可能因受雷電影響，使得相應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，從而導(dǎo)致生產(chǎn)裝置停車，造成安全事故或經(jīng)濟(jì)損失。為了更好的保障生命和財(cái)產(chǎn)的安全，在可能產(chǎn)生此類事故的區(qū)域，應(yīng)考慮儀表信號(hào)的防雷措施。

儀表防雷是一個(gè)系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)，包含等電位連接與接地、信號(hào)電纜的屏蔽與接地、儀表設(shè)備的屏蔽與接地、設(shè)置浪涌保護(hù)器等。此處僅針對(duì)在實(shí)際工程中容易忽視的一點(diǎn)即信號(hào)防雷浪涌保護(hù)器[1]進(jìn)行闡述，分析其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

2 浪涌保護(hù)器的分類及參數(shù)

雷電對(duì)工程儀表系統(tǒng)危害的根本原因在于雷電流和雷電電磁脈沖，而雷電流與雷電電磁脈沖是伴隨發(fā)生，在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)換。雷電流由雷直接擊打系統(tǒng)設(shè)備或線路產(chǎn)生，雷電電磁場(chǎng)內(nèi)的線路上感應(yīng)雷電浪涌，沿線路入侵設(shè)備而將設(shè)備損壞。

雷電浪涌可能造成儀表信號(hào)在傳輸過程中的不穩(wěn)定、異常等；可能造成儀表、控制系統(tǒng)的損壞、降低使用壽命；破壞儀表系統(tǒng)整體安全性和穩(wěn)定性，增加維護(hù)成本等。因而在可能受到雷電影響的區(qū)域，其自控儀表系統(tǒng)應(yīng)采取一系列的防雷措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)。一般儀表工程設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮整個(gè)儀表控制系統(tǒng)的保護(hù)接地和工作接地、采用儀表屏蔽電纜等，而信號(hào)浪涌保護(hù)器，特別是室外設(shè)置的信號(hào)浪涌保護(hù)器經(jīng)常被忽略。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的定義，浪涌保護(hù)器(SPD)指用于限制瞬態(tài)過電壓和分流電涌電流，保護(hù)電氣或電子設(shè)備的器件[2]。

浪涌保護(hù)器根據(jù)其工作原理可分為三種類型：

電壓開關(guān)型在沒有瞬時(shí)過電壓時(shí)為高阻抗特性，一旦響應(yīng)雷電瞬時(shí)過電壓，其阻抗就突變?yōu)榈妥杩固匦裕试S雷電電流通過。

限壓型在沒有瞬時(shí)過電壓時(shí)為高阻抗特性，但隨電涌電流和電壓的增加，其阻抗會(huì)不斷減少。

組合型有電壓開關(guān)型和限壓型浪涌保護(hù)器的兩種特性。

浪涌保護(hù)器根據(jù)其應(yīng)用用途可分為兩種類型：

電源型應(yīng)用在供配電電源線路上。

信號(hào)型應(yīng)用在儀表信號(hào)線路上，包括模擬量、數(shù)字量信號(hào)等。

浪涌保護(hù)器根據(jù)其接線方式可分為兩種類型：

串聯(lián)型與被保護(hù)的設(shè)備串聯(lián)，對(duì)工作頻率為低阻抗特性，而對(duì)雷電為高阻抗特性。

并聯(lián)型與被保護(hù)的設(shè)備并聯(lián)，對(duì)工作頻率為高阻抗特性，而對(duì)雷電為低阻抗特性。浪涌保護(hù)器是目前電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可或缺的一種裝置，通過把線路中的瞬時(shí)過電壓限制在可承受的范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)雷電流泄流入地，保護(hù)設(shè)備不受沖擊。在常見的

工程儀表系統(tǒng)中使用的信號(hào)防雷浪涌保護(hù)器，其主要參數(shù)包括：

(1) 最大持續(xù)運(yùn)行電壓Uc：浪涌保護(hù)器長(zhǎng)期工作的最大信號(hào)電壓有效值或直流電壓。

(2) 最大信號(hào)電流Ic：電涌防護(hù)器所在線路的最大工作信號(hào)電流。

(3) 標(biāo)稱放電電流In：浪涌保護(hù)器正常通過的最大電涌電流(8/20us)，是指浪涌保護(hù)器在通過8/20us標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)波形電流規(guī)定的實(shí)驗(yàn)次數(shù)時(shí)，不損壞浪涌保護(hù)器的最大泄放電流。

(4) 響應(yīng)時(shí)間：標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)波形電壓開始作用于浪涌保護(hù)器的時(shí)刻到浪涌保護(hù)器實(shí)際導(dǎo)通放電時(shí)刻之間的延遲時(shí)間。

在信號(hào)防雷浪涌保護(hù)器的選型時(shí)主要考慮以上幾個(gè)參數(shù)，在保證安全的前提下同時(shí)考慮成本。對(duì)24V直流供電的儀表設(shè)備，其Uc一般不超過36V；而對(duì)于兩線制及四線制的4～20mA信號(hào)的儀表設(shè)備，其Ic>=150mA；對(duì)于24V直流供電的，如電磁閥等線路，其Ic>=600mA；一般對(duì)儀表信號(hào)來說， In大于1kA即可滿足防護(hù)要求，但實(shí)際使用中也可選擇5kA，10kA等規(guī)格；響應(yīng)時(shí)間是越小越好，信號(hào)防雷浪涌保護(hù)器的響應(yīng)時(shí)間一般不超過5ns。

3 信號(hào)防雷浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)原則

在工程設(shè)計(jì)中，儀表防雷設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際所在區(qū)域及工程的特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。對(duì)于沼氣工程來說，因其生產(chǎn)過程及產(chǎn)品的特殊性，存在一些需考慮電氣防爆的區(qū)域。這些區(qū)域一旦遭受雷擊，可能會(huì)引發(fā)爆炸，在設(shè)計(jì)時(shí)需多方面考慮。

以某沼氣工程厭氧罐區(qū)為例，由于罐內(nèi)爆炸性氣體沼氣的存在，應(yīng)根據(jù)爆炸性氣體混合物出現(xiàn)的頻繁程序和持續(xù)時(shí)間將爆炸性氣體環(huán)境劃分為0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)，并配置相應(yīng)的防爆設(shè)備[3]。同時(shí)，也可結(jié)合沼氣工程的相關(guān)規(guī)范中的示意圖對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行劃分，如圖1所示[4]。

1-厭氧消化器； 2-消化器基礎(chǔ)； 3-2區(qū)

該工程厭氧消化器的高度H為22米，即從地面11米高度以上的所有儀表設(shè)備包括所需的信號(hào)浪涌保護(hù)器應(yīng)選用滿足2區(qū)防爆要求的設(shè)備，可選用隔爆型ExdIICT6 Gb。

對(duì)于此類有防爆要求的室外罐區(qū)，應(yīng)更加注重設(shè)計(jì)儀表信號(hào)防雷，以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。一般工程項(xiàng)目在考慮儀表信號(hào)防雷時(shí)主要考慮以下幾個(gè)因素：

(1)雷電防護(hù)等級(jí)

在進(jìn)行儀表系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)工程區(qū)域的雷電活動(dòng)等級(jí)(少雷區(qū)、多雷區(qū)、高雷區(qū)、強(qiáng)雷區(qū))及系統(tǒng)對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和安全重要程度分類(第一類、第二類、第三類)確定該區(qū)域的雷電防護(hù)等級(jí)。

該沼氣工程所在區(qū)域?yàn)槎嗬讌^(qū)，系統(tǒng)對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和安全重要程度可定為第二類，由此確定該工程的雷電防護(hù)等級(jí)為二級(jí)。

(2)儀表防雷設(shè)計(jì)原則

儀表防雷的整體設(shè)計(jì)需同時(shí)考慮風(fēng)險(xiǎn)和投資，并結(jié)合同類項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)規(guī)范：

防雷等級(jí)為一級(jí)的區(qū)域和控制室應(yīng)實(shí)施儀表系統(tǒng)防雷工程。

防雷等級(jí)為二級(jí)的區(qū)域和控制室宜實(shí)施儀表系統(tǒng)防雷工程。

防雷等級(jí)為三級(jí)的區(qū)域和控制室可實(shí)施儀表系統(tǒng)防雷工程。

考慮該沼氣工程項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)和業(yè)主投資情況，設(shè)置儀表系統(tǒng)防雷工程。

4 信號(hào)防雷浪涌保護(hù)器的應(yīng)用

4.1 信號(hào)浪涌保護(hù)器的設(shè)置

該沼氣工程項(xiàng)目厭氧罐區(qū)域的儀表露天布置，室外分布的儀表包括壓力變送器、溫度變送器、物位變送器、電磁流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)開關(guān)閥等，且信號(hào)敷設(shè)至控制室PLC機(jī)柜的距離比較遠(yuǎn)，故選擇在現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制室儀表兩端設(shè)置信號(hào)浪涌保護(hù)器。

現(xiàn)場(chǎng)變送器的信號(hào)浪涌保護(hù)器選用裝配式浪涌保護(hù)器，直接安裝在現(xiàn)場(chǎng)儀表變送器上，也可采用內(nèi)置集成式浪涌保護(hù)器；現(xiàn)場(chǎng)閥門的信號(hào)浪涌保護(hù)器選用導(dǎo)軌式浪涌保護(hù)器，安裝在防爆接線箱內(nèi)；控制室儀表端的信號(hào)浪涌保護(hù)器選用導(dǎo)軌式浪涌保護(hù)器，安裝在控制機(jī)柜內(nèi)，如圖2所示。

現(xiàn)場(chǎng)側(cè)的信號(hào)浪涌保護(hù)器應(yīng)滿足危險(xiǎn)區(qū)域的防爆要求。該工程配置的信號(hào)浪涌保護(hù)器主要有以下類型：

(1) 4～20mA兩線制

此類型信號(hào)浪涌保護(hù)器用于厭氧罐及管道上的壓力變送器、溫度變送器、物位變送器、閥位變送器等信號(hào)。

(2) 4～20mA四線制

此類型信號(hào)浪涌保護(hù)器用于室外管道上的電磁流量變送器及質(zhì)量流量變送器信號(hào)。

(3)電磁閥兩線制開關(guān)量

此類型信號(hào)浪涌保護(hù)器用于室外自動(dòng)開關(guān)閥閥體上的24VDC電磁閥信號(hào)。

(4)限位開關(guān)兩線制

此類型信號(hào)浪涌保護(hù)器用于室外自動(dòng)開關(guān)閥閥體上的兩線制接近式限位開關(guān)(電子開關(guān))信號(hào)。

圖2 信號(hào)浪涌保護(hù)器的應(yīng)用

4.2 信號(hào)浪涌保護(hù)器的安裝

裝配式浪涌保護(hù)器可直接安裝在現(xiàn)場(chǎng)變送器本體上，內(nèi)置短接線與變送器連接，連接后與變送器可看作一體；此種類型的浪涌保護(hù)器無需單獨(dú)接地，可通過變送器一起現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)接地；信號(hào)浪涌保護(hù)器的的出線經(jīng)金屬管、橋架敷設(shè)至機(jī)柜室的PLC機(jī)柜內(nèi)，與機(jī)柜側(cè)的信號(hào)浪涌保護(hù)器連接，再輸送至PLC信號(hào)卡件。

PLC柜內(nèi)的導(dǎo)軌式信號(hào)浪涌保護(hù)器與柜內(nèi)保護(hù)接地相連接，同時(shí)其工作接地由現(xiàn)場(chǎng)一直連接至PLC柜內(nèi)，并通過機(jī)柜與儀表總工作接地連接。

現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)軌式浪涌保護(hù)器安裝在現(xiàn)場(chǎng)接線箱內(nèi)，接線箱與被保護(hù)儀表應(yīng)盡可能接近，其連接電纜一般不超過5米，以保證防雷效果。此種類型的浪涌保護(hù)器可與接線箱、儀表在現(xiàn)場(chǎng)合并保護(hù)接地，其工作接地同樣通過電纜敷設(shè)至機(jī)柜側(cè)實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地。

5 結(jié)束語

儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)在整個(gè)自控系統(tǒng)的可靠性中占有重要地位，設(shè)計(jì)中應(yīng)重視信號(hào)防雷保護(hù)器的應(yīng)用，以提高項(xiàng)目的整體安全性和可靠性。儀表防雷設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合相關(guān)規(guī)范和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)和投資水平，在保證安全的前提下避免浪費(fèi)。