楊震力

（神華國華舟山發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 舟山 316012）

神華國華舟山發(fā)電有限責(zé)任公司的生活用水系統(tǒng)設(shè)置有2只水箱，一只設(shè)置在汽機(jī)房的房頂，標(biāo)高45 m，另一只設(shè)置在廠區(qū)的山坡上，標(biāo)高48 m。山頂水箱液位由裝在水箱上的投入式變送器進(jìn)行測(cè)量，變送器通過200多米的鎧裝控制電纜與二次儀表聯(lián)接組成水位測(cè)量系統(tǒng)，電纜未進(jìn)行埋地敷設(shè)。每當(dāng)雷雨天時(shí)，山坡上的水箱液位變送器、綜合水泵房?jī)?nèi)的二次儀表常因雷擊而損壞，采取鎧裝電纜鎧包接地、二次儀表接地等措施仍不能解決雷擊問題。

1 雷擊損壞原因分析

雷擊損壞儀表有2種情況，一種是直接雷擊到液位變送器或電纜上，另一種是由于雷電電磁脈沖在測(cè)量系統(tǒng)的電纜上感應(yīng)出高電壓而損壞測(cè)量系統(tǒng)。

山頂水箱雖然標(biāo)高較高，但不是在山的最高點(diǎn)，在離水箱100多米處還有移動(dòng)手機(jī)基站，其標(biāo)高高于水箱，基站設(shè)有防直擊雷的避雷針，水箱水位變送器在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)，所以山頂水箱受直擊雷的概率較小。

避雷針的作用是把雷電引向自身，從而使保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的被保護(hù)對(duì)象免遭直接雷擊。但避雷針的引雷作用也會(huì)增加保護(hù)區(qū)域雷擊概率，只不過雷擊電流通過避雷針引入了地下，保護(hù)范圍內(nèi)的設(shè)備雷電流流過的概率大大減小。

避雷針在把強(qiáng)大的雷擊電流引入地下的過程中，由于雷電流陡度di/dt的作用，在其周圍金屬體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，即感應(yīng)脈沖過電壓，其影響范圍很大。如一個(gè)30 kA的中等雷落在避雷針上所產(chǎn)生的感應(yīng)脈沖過電壓為：

式中：a為雷電流引線與被感應(yīng)導(dǎo)體間的平行距離；di/dt=30/26≈11.5 kA/μs。

30 kA的雷擊在避雷針周圍導(dǎo)體上耦合出的感應(yīng)脈沖過電壓值如表1所示。

表1 30 kA雷擊時(shí)的感應(yīng)脈沖過電壓

由表1可以看出，避雷針周圍500 m范圍內(nèi)的電子儀表設(shè)備都是感應(yīng)雷破壞的對(duì)象，并可計(jì)算出在液位測(cè)量系統(tǒng)的電纜上可能會(huì)感應(yīng)出320～840kV脈沖過電壓（電纜長度以200 m計(jì)算，與避雷針距離最近以100 m、最遠(yuǎn)以300 m計(jì)算），這么高的電壓必定會(huì)損壞儀表。

2 電涌防護(hù)器原理

一套完整的電子設(shè)備防雷系統(tǒng)應(yīng)建立三維防護(hù)體系，即防直擊雷、防感應(yīng)雷電波侵入、防雷電電磁感應(yīng)、防地電位反擊以及操作引起的瞬間過電壓影響等。由于高位露天液位測(cè)量系統(tǒng)較小，所以只考慮雷電電磁脈沖對(duì)電源線路和信號(hào)線路的感應(yīng)過電壓入侵，并同時(shí)考慮等電位的連接。

選用了菲尼克斯公司生產(chǎn)的3種SPD（電涌保護(hù)器）：用于二次儀表220 V AC電源的SPD是PT 2-PE/S-230AC/FM，其電路如圖1所示；用于二次儀表輸入信號(hào)的SPD是PT 1×2-24DC，其電路如圖2所示；用于現(xiàn)場(chǎng)變送器的SPD是S-PTEX-24DC，其電路如圖3所示。

（1）圖1電路由氣體放電管（粗保護(hù)）、壓敏電阻（細(xì)保護(hù)）、發(fā)光二極管、熔絲組成。IN端接電涌電流來向，OUT端接被保護(hù)設(shè)備，端子L和N分別接1對(duì)220 V火線、零線。端子3和4端子任選1個(gè)接地，如果金屬導(dǎo)軌已接地，此接地線可不接。端子11和12接1對(duì)開關(guān)量報(bào)警回路。當(dāng)電涌電流從IN端進(jìn)入SPD，細(xì)保護(hù)壓敏電阻在25 ns內(nèi)啟動(dòng)，限制火線、零線之間出現(xiàn)過電壓。當(dāng)火線或零線電壓抬升至940 V以上時(shí)，粗保護(hù)氣體放電管在100 ns內(nèi)擊穿，對(duì)地放電，可泄放10 kA（8/20μs）電涌電流，壓敏電阻限制電壓至1.1kV，泄放完成后各器件恢復(fù)常態(tài)。當(dāng)壓敏電阻損壞時(shí)，熔絲熔斷，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)出紅光，提示更換，同時(shí)，端子11和12由常閉變常開，提供開關(guān)量報(bào)警。

圖1 PT2-PE/S-230AC/FM型SPD的電路

（2）圖2電路由氣體放電管（粗保護(hù)）、退偶電阻、抑制二極管（細(xì)保護(hù)）組成。IN端接電涌電流來向，OUT端接被保護(hù)設(shè)備，端子7和11接1對(duì)4～20 mA和24 V模擬量信號(hào)線，對(duì)應(yīng)的端子8和12接被保護(hù)設(shè)備。端子9和10接屏蔽層。端子3和4任選1個(gè)接地，如果金屬導(dǎo)軌已接地，此接地線可不接。端子9和10與3和4之間是1個(gè)可選的氣體放電管，作用是當(dāng)系統(tǒng)要求將防雷保護(hù)地與測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾地分開時(shí)，既能在正常時(shí)提高測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾能力，又能在雷電發(fā)生時(shí)通過氣體放電管瞬間導(dǎo)通，保證兩地的等電位要求。在正常工況時(shí)儀表信號(hào)線上的電壓為24 V DC，抑制二極管動(dòng)作，不影響儀表正常工作，當(dāng)電涌電流從IN端進(jìn)入SPD，2根信號(hào)線產(chǎn)生大于40 V差模電壓時(shí)，細(xì)保護(hù)抑制二極管在1 ns內(nèi)導(dǎo)通，使電壓鉗位在40 V，防止差模電壓過大損壞二次儀表。當(dāng)2根信號(hào)線中的任1根對(duì)地電壓大于360 V時(shí)，粗保護(hù)氣體放電管在100 ns內(nèi)導(dǎo)通，保證2根信號(hào)線對(duì)地的共模電壓不大于360 V，保護(hù)二次儀表不會(huì)由于共模電壓過高而被擊穿。電路中的退偶電阻起到升壓作用，氣體放電管可泄放10 kA（8/20μs）浪涌電流，抑制二極管可限制電壓至40 V，泄放完成后各器件恢復(fù)常態(tài)。退偶電阻為2.2Ω，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試，當(dāng)退偶電阻為2.2Ω時(shí)，粗細(xì)兩級(jí)保護(hù)的能量配合最佳。

圖2 PT1×2－24DC型SPD的電路

（3）圖3電路由氣體放電管（粗保護(hù)）、抑制二極管（細(xì)保護(hù)）組成。端子BN和BL并接1對(duì)4～20 mA，24 V模擬量信號(hào)線，端子BK接地。當(dāng)電涌電流從線路進(jìn)入SPD，細(xì)保護(hù)抑制二極管在1 ns內(nèi)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)瞬間等電位，當(dāng)電壓抬升至360 V以上時(shí)，粗保護(hù)氣體放電管在100 ns內(nèi)擊穿，對(duì)地放電，可泄放10 kA（8/20μs）浪涌電流，抑制二極管可限制電壓至65 V，泄放完成后各器件恢復(fù)常態(tài)。抑制二極管組成橋電路，可降低回路電容。

圖3 S-PT-EX-24DC型SPD的電路

該SPD擰在變送器的1只穿線孔上，能保護(hù)變送器的1對(duì)信號(hào)線，變送器的外殼對(duì)地電位不大于360 V，信號(hào)線之間電壓不大于65 V，可有效防止雷電過電壓對(duì)變送器的損壞。

3 液位測(cè)量系統(tǒng)防雷的實(shí)施

山頂水箱液位測(cè)量接線如圖4所示，圖中接地點(diǎn)A和B連接在山頂水箱周圍為防雷要求新做的接地網(wǎng)上，接地電阻小于10Ω。此接地網(wǎng)未與儀表室內(nèi)的接地網(wǎng)相連，原因是兩地距離較遠(yuǎn)，施工不便；當(dāng)雷電感應(yīng)時(shí)，變送器內(nèi)部元器件及周圍的水箱、地面電位同時(shí)升高，不會(huì)造成變送器的損壞。若A點(diǎn)和B點(diǎn)與儀表室的地相連，則兩點(diǎn)的電位差為零，變送器內(nèi)部元器件對(duì)變送器和外殼存在電位差，電位差過大時(shí)將引起變送器損壞。儀表室內(nèi)的接地點(diǎn)C，D，E點(diǎn)及控制柜的外殼都接在同一個(gè)接地母排上。

由圖4可知，變送器側(cè)的SPD與變送器的接線端子并聯(lián)，當(dāng)雷電沖擊電壓或沖擊電流超過保護(hù)值時(shí)，能瞬間把雷電流引入地下，保護(hù)設(shè)備對(duì)地電壓在低壓值，從而不損壞變送器。

圖4 山頂水箱液位測(cè)量接線

二次儀表與SPD串聯(lián)接線，當(dāng)雷電沖擊電壓、沖擊電流沿電纜進(jìn)入儀表室時(shí)，SPD能瞬間把雷電流引入地下，從而不會(huì)損壞二次儀表。

當(dāng)雷電沖擊電壓、沖擊電流沿220 V AC供電電源入侵時(shí)，電源側(cè)的SPD能瞬間把雷電流引入地下，從而保護(hù)儀表免遭損壞。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)改造方案簡(jiǎn)單，并按防雷規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工，取得了較好的防雷效果。

[1]周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華.電子信息系統(tǒng)防雷接地[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[2]毛予暉，劉瑛.防雷接地引起的問題探討[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010（1）∶289-290.