楊永鵬，何聯(lián)合

(華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065)

隨著化工裝置向著大型化、一體化的方向轉(zhuǎn)變，連續(xù)、安全、可靠的運(yùn)行成為化工控制最基本的要求。近年來，由于自動化儀表系統(tǒng)遭受雷擊或雷電電磁脈沖干擾造成裝置、機(jī)組停運(yùn)的情況屢有發(fā)生，防雷問題已經(jīng)引起了有關(guān)方面的關(guān)注。筆者參與了珠海某石油化工項目的儀表防雷設(shè)計工作，在項目報批過程中，就儀表防雷問題與當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門溝通過多次。期間，筆者查閱了多個相關(guān)規(guī)范，對防雷部門的要求進(jìn)行了合理優(yōu)化，最終該工程順利通過了防雷審批。通過該項目，筆者對自控防雷設(shè)計及相關(guān)規(guī)范有了較深刻的認(rèn)識。文中僅對自控防雷工程中的一個重點(diǎn)——電涌防護(hù)器應(yīng)用的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行描述，希望對自控設(shè)計人員在電涌防護(hù)器的應(yīng)用方面有所幫助。

1 電涌防護(hù)器的概念及分類

按照SH/T 3164—2012《石油化工儀表系統(tǒng)防雷工程設(shè)計規(guī)范》，電涌防護(hù)器(SPD)也可稱為雷電浪涌防護(hù)器或浪涌防護(hù)器，IEC的定義為“用作限制瞬態(tài)過電壓和泄放電涌(沖擊)電流的裝置，它至少應(yīng)該包括一個非線性的元件”。

1) 按工作原理， SPD可以分為電壓開關(guān)型、限壓型及組合型3種。

a) 電壓開關(guān)型SPD。在沒有瞬時過電壓時呈現(xiàn)高阻抗，一旦響應(yīng)雷電瞬時過電壓，其阻抗就突變?yōu)榈妥杩?，允許雷電流通過，也被稱為“短路開關(guān)型SPD”。

b) 限壓型SPD。當(dāng)沒有瞬時過電壓時為高阻抗，但隨電涌電流和電壓的增加，其阻抗會不斷減小，其電流電壓特性為強(qiáng)烈非線性，有時被稱為“鉗壓型SPD”。

c) 組合型SPD。由電壓開關(guān)型組件和限壓型組件組合而成，可以顯示為電壓開關(guān)型或限壓型或兩者兼有的特性，這取決于所加電壓的特性。

2) 按接線方式，SPD可分為分流型和扼流型。

a) 分流型SPD。與被保護(hù)的設(shè)備并聯(lián)，對雷電脈沖呈現(xiàn)為低阻抗，而對正常工作頻率呈現(xiàn)為高阻抗。

b) 扼流型SPD。與被保護(hù)的設(shè)備串聯(lián)，對雷電脈沖呈現(xiàn)為高阻抗，而對正常的工作頻率呈現(xiàn)為低阻抗。

3) 按用途分類， SPD可以分為電源線路型和信號線路型2種。電源線路型SPD指安裝在供配電線路上的SPD，這也是傳統(tǒng)SPD的主要用途。信號線路型是近些年新推出的，專用在儀表信號等弱電信號回路中。除特殊說明外，本文著重介紹自控專業(yè)常用的信號線路型。

2 SPD的主要參數(shù)及選型

2.1 主要參數(shù)

1) 標(biāo)稱放電電流In： 是指SPD不損壞的最大電涌電流， 即SPD在通過標(biāo)準(zhǔn)實驗波形電流(規(guī)定為8/20 μs電流波)和規(guī)定實驗次數(shù)時，電涌電流的最大泄放能力。IEC規(guī)定常見的In值有0.05，0.10，0.25，0.50，1.00，1.50，2.00，2.50，3.50，10，15，20 kA。

2) 最大放電電流Imax： 又稱為最大通流量，指使用8/20 μs電流波沖擊，SPD能承受的最大放電電流。

3) 最大信號電流Ic： 指SPD所在線路的最大工作信號電流。對于兩線制、三線制、四線制的4～20 mA信號的儀表，Ic≥150 mA。對于24 V(DC)供電路線，如電磁閥、超聲波儀表、可燃?xì)怏w檢測器等儀表，Ic≥600 mA。

4) 殘流Ires： 對SPD不帶負(fù)荷，施加最大持續(xù)工作電壓Uc時，流過接地端子的電流。

5) 最大持續(xù)運(yùn)行電壓Uc： 指允許持續(xù)加在SPD的最大電壓(交流電壓有效值或直流電壓)，也稱最大工作電壓。

6) 殘壓Ures： 指在In流過時，SPD端子電壓的峰值。Ures是確定SPD的過電壓保護(hù)水平的重要參數(shù)。

7) 限制電壓： 即最大殘壓值，對同一SPD，其正向和反向的殘壓值可能不相同，以其最大值作為其限制電壓。

8) 保護(hù)電壓Up： 表征SPD限制接線端子間的電壓特性參數(shù)，其值可從樣本列表中選取，應(yīng)大于限制電壓的最高值。SPD的實際限制電壓值都不應(yīng)大于這個規(guī)定的保護(hù)水平。

9) 插入損耗Ae： 在給定頻率下SPD安裝前后的電壓比率，一般來說，Ae越小，信號衰減越慢。在選擇信號SPD時，應(yīng)選用Ae較小的SPD(要求Ae≤0.3 dB， ≤0.5 dB或≤3 dB)。

10) 響應(yīng)時間： 從暫態(tài)過電壓開始作用于SPD的時間到SPD實際導(dǎo)通放電時刻之間的延遲時間，稱為SPD的響應(yīng)時間，其值越小越好，通常限壓型SPD響應(yīng)時間短于開關(guān)SPD。

2.2 選 型

在SPD選型前，需要明確： 10/350 μs波形是模擬直擊雷的波形，波形能量大；8/20 μs波形是模擬雷電感應(yīng)和雷電傳導(dǎo)的波形。信號回路SPD實驗的模擬波形均為8/20 μs波；電壓開關(guān)型SPD主要泄放的是10/350 μs電流波，限壓型SPD主要泄放的是8/20 μs電流波。

SPD選型時主要考慮的參數(shù)有In，Uc，Up和響應(yīng)時間等，In，Uc和Up越大越好，但過分放大會導(dǎo)致過度防護(hù)，造成用戶成本的上升。一般來說，In大于1 kA即可滿足防護(hù)要求，但可選擇5 kA，10 kA等規(guī)格(也可自行從IEC推薦數(shù)值中選擇)；Uc的值應(yīng)大于被保護(hù)設(shè)備的正常工作電壓或供電線路電壓波動的最大值，對24 V(DC)供電的儀表，Uc一般為30 V(DC)。對24 V(DC)供電的儀表，Up一般是工作電壓的2～2.5倍，即為48～60 V(DC)；對交流供電儀表，Up一般取正常工作電壓的2～2.5倍，并應(yīng)該小于被保護(hù)設(shè)備耐壓水平的80%；響應(yīng)時間一般是越小越好，典型值為10～100 ns。

SPD有多種類型，以匹配不同的信號。對供電電壓為24 V(DC)的兩線制、三線制、四線制的4～20 mA信號儀表，其回路直流電源屬于信號供電，應(yīng)配備信號類型的SPD；四線制直流供電電源屬于直流電源類型，應(yīng)配備直流電源類型的SPD；對于220 V(AC)供電儀表，除配備4～20 mA信號線路型SPD外，還應(yīng)該配電源線路型SPD。

另外，在SPD選型時應(yīng)該注意，安裝在現(xiàn)場側(cè)的SPD應(yīng)該滿足對應(yīng)危險區(qū)域的防爆認(rèn)證。用于爆炸危險環(huán)境一區(qū)的SPD，應(yīng)通過國家或國際測試機(jī)構(gòu)，取得相關(guān)危險區(qū)域的本質(zhì)安全認(rèn)證證書，該認(rèn)證僅涉及SPD為本質(zhì)安全儀表；用于爆炸危險二區(qū)的SPD，應(yīng)取得相關(guān)的隔爆認(rèn)證證書。

3 SPD的設(shè)置、安裝及接線

防雷工程的設(shè)計應(yīng)根據(jù)目標(biāo)的具體情況，綜合考慮雷擊事件的風(fēng)險和投資條件，確定合適的防護(hù)范圍和目標(biāo)，采用適宜的防護(hù)方案，經(jīng)濟(jì)有效地防護(hù)和減少儀表系統(tǒng)雷擊事故的損失。設(shè)計中一般遵循文獻(xiàn)[1]的要求： 防雷等級為一級的區(qū)域和控制室應(yīng)實施儀表系統(tǒng)防雷工程；防雷等級為二級的區(qū)域和控制室宜實施儀表系統(tǒng)防雷工程；防雷等級為三級的區(qū)域和控制室可實施儀表系統(tǒng)防雷工程。

3.1 SPD的設(shè)置原則

3.1.1現(xiàn)場儀表側(cè)SPD的設(shè)置原則

1) 當(dāng)信號電纜在地面以上敷設(shè)的水平直線距離大于100 m或垂直距離大于10 m時，現(xiàn)場儀表和中心控制室或現(xiàn)場機(jī)柜間儀表兩側(cè)宜設(shè)置SPD。

2) 安全儀表系統(tǒng)的現(xiàn)場儀表側(cè)應(yīng)該設(shè)置SPD。但連入安全儀表系統(tǒng)的現(xiàn)場觸點(diǎn)開關(guān)和來自配電室的信號側(cè)可不設(shè)置SPD。

3) 變送器現(xiàn)場側(cè)應(yīng)設(shè)置SPD。變送器包括溫度變送器、壓力變送器、流位變送器和閥位變送器等。

4) 電氣轉(zhuǎn)換器、電氣閥門定位器、電磁閥等現(xiàn)場電信號執(zhí)行器類儀表側(cè)應(yīng)設(shè)置SPD。另外，限位開關(guān)是否設(shè)置SPD應(yīng)該根據(jù)開關(guān)的形式(電子開關(guān)，觸點(diǎn)開關(guān))確定。

5) 熱電阻現(xiàn)場端應(yīng)設(shè)置SPD。

6) 電子開關(guān)現(xiàn)場端應(yīng)設(shè)SPD。電子開關(guān)指所有具有SPDT或DPDT輸出的開關(guān)(非機(jī)械式)，如液位開關(guān)、壓力開關(guān)、namur式或接近式的限位開關(guān)等。

7) 熱電偶現(xiàn)場端可不設(shè)置SPD。

8) 觸點(diǎn)開關(guān)現(xiàn)場端不應(yīng)設(shè)置SPD。觸點(diǎn)開關(guān)主要是指機(jī)械式的限位開關(guān)，如電接點(diǎn)壓力表，電接點(diǎn)溫度計等。

9) 配電間及電氣控制室來的機(jī)泵信號可不設(shè)置SPD。如果配電間或電氣控制室到中心控制室(現(xiàn)場機(jī)柜間)的距離超過100 m，則應(yīng)在中心控制室(現(xiàn)場機(jī)柜間)側(cè)設(shè)置SPD。

3.1.2中心控制室(現(xiàn)場機(jī)柜間)側(cè)SPD的設(shè)置原則

按文獻(xiàn)[1]的要求，儀表系統(tǒng)的同一信號線路端，只設(shè)一級SPD。如果現(xiàn)場儀表側(cè)設(shè)置了SPD，則中心控制室(現(xiàn)場機(jī)柜間)側(cè)也應(yīng)設(shè)置SPD。如果現(xiàn)場儀表側(cè)未設(shè)置SPD，但從現(xiàn)場儀表到中心控制室(現(xiàn)場機(jī)柜間)的水平距離超過100 m，則在中心控制室(現(xiàn)場機(jī)柜間)側(cè)應(yīng)設(shè)置SPD。

3.1.3現(xiàn)場總線系統(tǒng)SPD的設(shè)置原則

對現(xiàn)場總線系統(tǒng)，在設(shè)置SPD時要明確以下幾點(diǎn)：

1) 當(dāng)現(xiàn)場分支線路(指從現(xiàn)場儀表到現(xiàn)場總線接線盒之間的線路)在地面以上敷設(shè)的水平直線距離大于100 m或垂直距離大于10 m時，應(yīng)在總線兩端的現(xiàn)場總線儀表和設(shè)備(指現(xiàn)場總線接線盒)間設(shè)置SPD。

2) 現(xiàn)場總線干線連接著主控制器的總線接口卡(H1卡)和現(xiàn)場的總線分支設(shè)備，總線干線兩端包括延伸段，應(yīng)該設(shè)置SPD。

3) 如果現(xiàn)場總線分支模塊是不帶電子電路的簡單連接，可以不設(shè)分支模塊端的SPD，但當(dāng)現(xiàn)場分支電纜在地面以上敷設(shè)的水平直線距離大于100 m或垂直距離大于10 m時，應(yīng)在分支模塊端設(shè)置SPD。

4) 對于現(xiàn)場總線分支模塊是帶電子電路的智能分支模塊，如果現(xiàn)場儀表側(cè)設(shè)置了SPD，分支模塊端也應(yīng)設(shè)置SPD。

現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，常規(guī)的通用SPD不適用于現(xiàn)場總線系統(tǒng)，除非產(chǎn)品標(biāo)明適用于現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場儀表側(cè)SPD的設(shè)置可參考本文3.1.1進(jìn)行。

3.1.4通信設(shè)備SPD的設(shè)置

如果工藝裝置現(xiàn)場有成套設(shè)備的控制系統(tǒng)，并與控制室進(jìn)行通信，在通信線路兩端應(yīng)設(shè)置相應(yīng)信號類型的SPD。如果采用光纖通信，光纖兩端可不設(shè)置SPD。

3.2 SPD的安裝及接線

3.2.1現(xiàn)場儀表側(cè)SPD的安裝及接線

一般來說，SPD的輸出端應(yīng)與被保護(hù)設(shè)備的電氣接口直接相連，盡可能減少從SPD到被保護(hù)設(shè)備的距離，現(xiàn)場側(cè)的SPD有串聯(lián)和并聯(lián)之分，如果采用串聯(lián)方式，SPD的輸出端接現(xiàn)場儀表側(cè)，輸入端去控制室，此時，SPD采用通用型，安裝在專用的保護(hù)箱中。文獻(xiàn)[1]要求并聯(lián)安裝的SPD的輸出端至現(xiàn)場儀表間的導(dǎo)線總長度不大于0.5 m，串聯(lián)安裝的SPD到現(xiàn)場儀表之間的導(dǎo)線長度不大于5 m。

3.2.2中心控制室(現(xiàn)場機(jī)柜間)側(cè)SPD的安裝及接線

中心控制室或現(xiàn)場機(jī)柜間側(cè)的SPD均串聯(lián)在回路中，并且其輸入端應(yīng)接現(xiàn)場側(cè)的信號，輸出端接控制系統(tǒng)的IO卡柜。SPD應(yīng)該安裝在單獨(dú)的機(jī)柜中或獨(dú)立的導(dǎo)軌上。

1) 對非本安系統(tǒng)，SPD可利用單獨(dú)的導(dǎo)軌直接安裝在機(jī)柜中，其輸出信號直接去系統(tǒng)IO卡件?，F(xiàn)場來的電纜直接接至SPD的輸入端，電纜的屏蔽層可以直接接至機(jī)柜的工作接地匯流板上。

2) 對本質(zhì)安全系統(tǒng)，SPD不是本質(zhì)安全系統(tǒng)的安全柵，二者不能相互代替。設(shè)置有SPD的電路在不受雷電電涌影響時，電路應(yīng)該是本質(zhì)安全的。即對本安系統(tǒng)，SPD的設(shè)置不應(yīng)破壞原有線路的本安特性，設(shè)計完成后如有必要，可以對整個回路進(jìn)行本安回路計算驗證。

3) 本質(zhì)安全系統(tǒng)的SPD安裝時，SPD和安全柵(BR)可以分開裝在不同的機(jī)柜中，也可以混裝在同一面機(jī)柜中，但應(yīng)該安裝在獨(dú)立的導(dǎo)軌上。

3.2.3現(xiàn)場總線系統(tǒng)SPD的安裝及接線

現(xiàn)場總線系統(tǒng)SPD的安裝可分為兩部分： 現(xiàn)場儀表側(cè)部分和現(xiàn)場接線盒及控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場儀表部分SPD的安裝可參考本文3.2.1條；現(xiàn)場接線盒及控制機(jī)柜部分SPD的安裝，按目前的慣例，均由DCS成套，SPD均采用獨(dú)立的導(dǎo)軌安裝方式。

應(yīng)當(dāng)注意的是，在現(xiàn)場總線接線合內(nèi)安裝的SPD，應(yīng)該滿足對應(yīng)危險區(qū)域的防爆認(rèn)證。

主控制器總線接口卡處和智能分支模塊處的SPD均串聯(lián)在電路中。

3.3 SPD的接地

SPD的接地基本原理如圖1所示。

圖1 SPD接地示意

當(dāng)被保護(hù)設(shè)備設(shè)置SPD后，被保護(hù)設(shè)備的保護(hù)接地應(yīng)和SPD的接地線良好連接，并接地，SPD的接地連線應(yīng)為截面積2.5 mm2的多股絞合絕緣銅線?，F(xiàn)場儀表側(cè)的接地連接導(dǎo)線截面積為4～6 mm2，該接地線就近接至電氣的防雷接地網(wǎng)上。

對現(xiàn)場總線接線箱內(nèi)的SPD，可通過SPD的接地端子或安裝導(dǎo)軌與接線箱的保護(hù)接地端子相連，并把接線箱的保護(hù)接地就近接到電氣的防雷接地網(wǎng)上來實現(xiàn)。

控制室側(cè)SPD的接地，可以通過安裝導(dǎo)軌和機(jī)柜的保護(hù)接地匯流排直接連接來實現(xiàn)，電纜截面積為4～6 mm2。對大型控制室，有多個SPD機(jī)柜的情況下，從機(jī)柜保護(hù)接地匯流排到保護(hù)接地排的間距不宜大于0.5 m，最大間距不宜大于3 m(接地電纜截面積為6～16 mm2)，可以采用分組接地排的模式來實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

該項目于2013年6月開車并投產(chǎn)，穩(wěn)定運(yùn)行一年多來，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，充分證明了儀表防雷設(shè)計是相對成功的。

儀表防雷設(shè)計是近年石油化工項目出現(xiàn)的一個較新的內(nèi)容，越來越多的石油化工項目在消防報批時都會涉及防雷設(shè)計，作為一名自控工程技術(shù)人員，有必要熟悉儀表防雷設(shè)計規(guī)范并進(jìn)行合理的防雷設(shè)計。設(shè)置SPD是儀表防雷工程各項工作中的重中之重，但不能取代儀表防雷工程的其他內(nèi)容。合理正確地設(shè)置SPD，使之既能符合規(guī)范要求，又要防止過度防護(hù)，造成浪費(fèi)。

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