石油儀器設(shè)備電涌防護技術(shù)相關(guān)問題

王富民

中船重工第七一五研究所，浙江富陽 311400

各種先進的電子設(shè)備隨著科技的飛速發(fā)展而逐漸應(yīng)用在石油行業(yè)中，和其他電子設(shè)備一樣，石油儀器設(shè)備存在一些缺點，比如過電流、電壓耐受能力差，絕緣等級較低，對外界干擾敏感等。石油儀器設(shè)備對電涌的防護不當，會導致設(shè)備故障，降低設(shè)備使用壽命，甚至還有導致人員傷亡。而在我國石油儀器設(shè)備中電涌的威脅并沒有受到足夠的重視，所以研究石油設(shè)備中的電涌防護技術(shù)具有相當重要的價值。

1 電涌的概述

電涌也叫浪涌，它是一種是異常大的微秒量級電流脈沖，其持續(xù)時間大約百萬分之一秒，單位能量在2.5-10MJ/Ω左右。電涌會產(chǎn)生短暫的過電壓，破壞電子設(shè)備。并且隨著半導體的厚度在減小，承受能力未成倍增長，電涌這種瞬態(tài)過電壓對電子設(shè)備的破壞的可能、程度也越來越大。

2 電涌產(chǎn)生的原因

2.1 直擊雷

直擊雷有兩種情況，一是雷電擊中建筑物具有引雷作用的裝置，會直接放電，并將電流引入建筑物的內(nèi)部設(shè)備中，其雷電流具有高能量。另外是雷電擊中建筑物的外部防雷裝置，這時雷電流就會通過引雷裝置傳輸?shù)酱蟮?，使地電動勢提升，并從設(shè)備接地線反沖到設(shè)備中。

這兩種雷擊都會產(chǎn)生電涌現(xiàn)象，導致設(shè)備過流而損壞。

2.2 感應(yīng)雷及雷電波入侵

雷云放電會使設(shè)備產(chǎn)生靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，從而導致設(shè)備過電壓。感應(yīng)電荷沿著設(shè)備的線路產(chǎn)生過電流沖擊，另外，雷擊會產(chǎn)生交變電磁場，磁場的能量作用在設(shè)備上，對設(shè)備產(chǎn)生不同程度的損壞。感應(yīng)雷能量沒有直擊雷那么強，但其產(chǎn)生的概率要比直擊雷大得多。

2.3 系統(tǒng)過電壓或者電網(wǎng)波動

導體上的電流在流動時，會感應(yīng)出磁場并以磁場的形式儲存能量，如果設(shè)備中存在電感，那么設(shè)備在開關(guān)時就瞬態(tài)的過電壓。電網(wǎng)波動與開關(guān)時的過電壓一樣，都有可能會導致設(shè)備電子元件損壞。

2.4 地電位反擊

雷擊到接閃器或者引下線，可能會引起地電位上升，從而對附近的電子設(shè)備產(chǎn)生反擊，導致設(shè)備的絕緣皮破壞，損壞其絕緣性能。

3 石油儀器設(shè)備電涌防護的措施

3.1 接閃

對于在戶外生產(chǎn)的石油儀器設(shè)備，如果建筑物的材質(zhì)，或者設(shè)備本身材料的壓力、溫度以及性質(zhì)等能夠防護雷擊，就可以選用設(shè)備本身為接閃器；如果設(shè)備內(nèi)燃料為易燃易爆物質(zhì)，并且其操作溫度大于閃點，金屬外殼面積較大，也可以不用設(shè)置額外的接閃器，而選用設(shè)備本身當作接閃器；如果設(shè)備內(nèi)燃料操作溫度大于閃點，但是其金屬外殼較小，則需要在設(shè)備建筑頂部加設(shè)避雷針來接閃。

3.2 分流

不論石油設(shè)備的生產(chǎn)裝置是否裝設(shè)接閃器，都需要顧及到分流問題。盡可能多的布設(shè)接地點、下引線。對于大型的石油儀器設(shè)備，其接地點不能少于2處；對于小型的石油設(shè)備，必須接地。在一些特殊的位置，比如管道的分支處、始末端也需設(shè)置接地?？梢赃x用接地可靠、導電性能好的金屬構(gòu)架把電流引到大地，避免電流流過受保護的石油儀器設(shè)備。設(shè)置分流的下引線的阻抗要低，這樣能有效降低電位，同時要求其散流好，使電流大面積地向大地泄漏，從而保護石油儀器設(shè)備以及人員的安全。

3.3 接地

在石油設(shè)備防護的接地裝置中，有防靜電接地、信號地、屏蔽電磁設(shè)置地 、防雷地裝置、SPD地等。對于這些起不同作用的接地，需要將它們接到一個共同的接地裝置中。并且該接地裝置的接地阻值不應(yīng)該大于4Ω。根據(jù)石油設(shè)備生產(chǎn)裝置的位置，比如配電儀表間、空壓機房等地點，將接地設(shè)置成環(huán)形閉合的形式。并且每個小型的環(huán)形閉合接地裝置通過扁鋼與相鄰的環(huán)形閉合接地裝置連接起來，整合成一個大型的環(huán)形接地裝置，將不同位置的機房統(tǒng)一起來。

3.4 均壓

在石油儀器設(shè)備所在的生產(chǎn)建筑物內(nèi)，選用導電體將設(shè)備本身的金屬殼體與鄰近設(shè)備的金屬殼體連接起來，連接的導體可以置在地上，也可以布置在地下，這樣可以使設(shè)備之間的感應(yīng)電動勢平衡，避免發(fā)生電火花的現(xiàn)象。在兩個設(shè)備連接起來以后，操作人員應(yīng)避免同時接觸這兩個設(shè)備，否則可能會產(chǎn)生電擊。石油儀器設(shè)備的易爆危險區(qū)域，就更需要進行均壓設(shè)置。因為在兩個相鄰的金屬外殼的設(shè)備間，如果存在電動勢差，即使只是空氣作為介質(zhì)，也可能會產(chǎn)生雷擊電火花，從而導致爆炸。另外，不允許有單獨的金屬導體布置在易爆的危險區(qū)域內(nèi)，即使是與地面絕緣，但是與相鄰的導體間不連接的金屬也不能存在。

3.5 設(shè)備屏蔽

石油儀器設(shè)備大多都是在野外運作的，其直接暴露在電磁以及電涌干擾中。對于這類戶外的石油儀器設(shè)備，可以利用屏蔽體將其屏蔽，減輕電磁對電子設(shè)備的干擾，衰減電涌的能量。一般工程中經(jīng)常應(yīng)用的石油設(shè)備屏蔽體有法拉第籠、屏蔽盒以及金屬設(shè)備本身的殼體等。

3.6 保護

石油儀器設(shè)備大多是弱電設(shè)備，有時采用以上的接閃、均壓、分流以及屏蔽等方法也足以消除電涌的威脅，因為石油儀器設(shè)備的耐過電壓能力不強，電涌雖然衰減了，但仍然高于設(shè)備的承受能力，所以還需要采用額外的保護措施。綜合不同防護方法的優(yōu)點，構(gòu)建多級電涌保護，比如在電涌容易損壞的接口設(shè)置過電流、電壓保護裝置，電涌吸收裝置。在電子控制系統(tǒng)輸入端的電源線，輸出端的信號線上設(shè)置細保護、粗保護等，是侵入的瞬態(tài)過電壓衰減到設(shè)備能承受的范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

石油儀器設(shè)備的電涌防護是一項綜合性很強的系統(tǒng)工程。在實際的應(yīng)用中需要綜合使用不同的防護措施，協(xié)調(diào)各種防雷裝置的作用。在設(shè)計石油儀器設(shè)備電涌防護的時候，要從高標準的目標出發(fā)， 遵循“綜合運用、多重防護、有效保護” 的基本思想，避免設(shè)備遭受電涌損壞，以及人員傷亡、財產(chǎn)損失不測的發(fā)生?？傊?，隨著科學的不斷發(fā)展，以及人們對電涌過電流、電壓理論的研究的深入，石油儀器設(shè)備的電涌防護手段和等級將會得到有效的升級。

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