現(xiàn)場型輸氣計(jì)量系統(tǒng)雷擊致?lián)p率高的原因分析與驗(yàn)證

柯杰貞

（中海廣東天然氣有限責(zé)任公司，廣東珠海 519000）

輸氣場站天然氣貿(mào)易的氣量結(jié)算計(jì)量系統(tǒng)，是由流量測量、壓力檢測、溫度變送以及體積修正計(jì)算機(jī)裝置組成，屬精密電子設(shè)備。輸氣場站投產(chǎn)后，現(xiàn)場型計(jì)量系統(tǒng)的流量計(jì)算機(jī)等核心設(shè)備因雷電導(dǎo)致?lián)p壞的幾率很高。迫切需要通過研究分析，找出其系統(tǒng)已設(shè)置的雷電防護(hù)裝置失效的原因，以制定有效的預(yù)防和解決方案。

1 關(guān)鍵設(shè)備受損癥狀

系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備流量計(jì)算機(jī)由電源及電池模組、核心處理器模組、數(shù)據(jù)通信接口模塊等組成，圖1為現(xiàn)場型流量計(jì)算機(jī)，圖2為現(xiàn)場型流量計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。通過RS485通信裝置向上位機(jī)傳遞數(shù)據(jù)。工程設(shè)計(jì)采取了在流量計(jì)算機(jī)外圍I/O 接口和電源回路上增設(shè)加強(qiáng)型浪涌保護(hù)裝置來實(shí)現(xiàn)有效的雷電保護(hù)。

圖1 現(xiàn)場型流量計(jì)算機(jī)

圖2 現(xiàn)場型流量計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

由歷次損壞的組件的觀察和檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)，損壞最多的是兼?zhèn)銻S485通信功能的核心處理器模塊和接口模塊，其他模塊也有損壞發(fā)生，但占比較少。

2 研究方法和測試裝置

為徹底厘清雷電防護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)，除充分了解設(shè)備情況、查閱歷史記錄外，測試和篩查是有效手段。首要是雷電防護(hù)器件深入測試，以取得的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)研判。

2.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與方法選定

試驗(yàn)系統(tǒng)組成和試驗(yàn)方法按《低壓電涌保護(hù)器第21部分電信和信號網(wǎng)絡(luò)的電涌保護(hù)器（SPD）性能要求和試驗(yàn)方法》GBT18802.21-2016實(shí)施。圖3為沖擊及響應(yīng)試驗(yàn)方法電路圖，圖4為電壓、電流試驗(yàn)電路圖。

圖3 沖擊及響應(yīng)試驗(yàn)方法電路圖

圖4 電壓、電流試驗(yàn)電路圖

2.2 構(gòu)建檢測系統(tǒng)

根據(jù)試驗(yàn)方法和測試的系統(tǒng)、設(shè)備和元件試驗(yàn)需求，需要配置能模擬雷電高壓大電流脈沖的針對電磁兼容性–浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)的專業(yè)儀器，用于評估電氣和電子設(shè)備回路經(jīng)受雷擊高能瞬變干擾性能。可以模擬符合國際電工委員會IEC 雷電1.2/50 μs、8/20 μs 復(fù)合波信號。

經(jīng)過比選，選定了下列設(shè)備構(gòu)建組成了驗(yàn)證測試系統(tǒng)組合：雷擊浪涌發(fā)生器作為模擬雷電波信號源，雙通道數(shù)字示波器作為波形檢測設(shè)備，存儲記錄儀記錄測試中的波形和測試數(shù)據(jù)。

2.3 試驗(yàn)點(diǎn)選定及檢測內(nèi)容

依據(jù)選取原則，篩選了雷電損壞發(fā)生率高、投運(yùn)時間長的典型場站系統(tǒng)防護(hù)設(shè)備進(jìn)行抽查和實(shí)施專業(yè)級的檢測。重點(diǎn)對其信號系統(tǒng)浪涌抑制保護(hù)、流量計(jì)算機(jī)和管道壓力、氣體溫度的變送裝置等進(jìn)行了檢查和測試。測得的關(guān)鍵數(shù)據(jù)見表1。

表1 站點(diǎn)的現(xiàn)場計(jì)量相關(guān)設(shè)備及外圍保護(hù)器件實(shí)測關(guān)鍵數(shù)據(jù)表

3 數(shù)據(jù)與故障現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)分析

通過測定數(shù)據(jù)比對設(shè)備的標(biāo)稱參數(shù)值，對照信號浪涌保護(hù)器參數(shù)分析可得：各站現(xiàn)場計(jì)量變送器模塊內(nèi)置保護(hù)器與流量計(jì)量裝置外設(shè)保護(hù)器件的在保護(hù)電壓的級差選型是正確的。流量計(jì)量裝置24 V 電源端口保護(hù)所設(shè)置的32 V 等級選型處于合理的水平。但其響應(yīng)時間200 ns 明顯與其他信號型的2 ns 以下的差距很大。推斷是導(dǎo)致系統(tǒng)雷擊損壞率高的主因。

3.1 電路結(jié)構(gòu)及元件的驗(yàn)證剖析

首先通過查驗(yàn)和分析其遠(yuǎn)傳通信接口電路，圖5為數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳接口（RS485）的內(nèi)置保護(hù)電路圖。

圖5 RS485通信保護(hù)接口電路圖

其保護(hù)元件采用背靠背連接的瞬態(tài)電壓抑制二極管，過電壓保護(hù)時瞬時耐受電流只有不到1 kA，可以有效應(yīng)對小電流高壓靜電的沖擊，卻難以承受線路引入可能超越5 kA 的雷擊浪涌電流。但電路模塊是廠家定型產(chǎn)品，無法改變。系統(tǒng)建設(shè)時為流量計(jì)算機(jī)外部增設(shè)更大抗浪涌能力的保護(hù)裝置來實(shí)現(xiàn)有效的防雷保護(hù)。從以上各站的檢測數(shù)據(jù)分析可見，加強(qiáng)級的外置SLP07D 信號保護(hù)SPD 保護(hù)電壓Up 要比流量計(jì)算機(jī)485通信模塊內(nèi)部保護(hù)電路的保護(hù)電壓Up 高1 V，也就是偏高12%，更重要的是SLP07D 其2 ns 響應(yīng)時間也比內(nèi)置瞬態(tài)電壓抑制二極管的0.2 ns 慢一個數(shù)量級。這樣就造成外置加強(qiáng)級保護(hù)對侵入的雷電流的分流就會比內(nèi)置電路少，達(dá)不到接替計(jì)算機(jī)內(nèi)置電路保護(hù)功能的目的，起不到應(yīng)有的保護(hù)作用。雷電浪涌侵入時越過外置加強(qiáng)級保護(hù)直接沖擊自身保護(hù)功能薄弱的流量計(jì)算機(jī)，造成器件損壞。

進(jìn)一步拆解電源端口保護(hù)浪涌保護(hù)器（SPD），其采用的是陶瓷氣體放電管作為主限壓元件，詳見圖6。此器件具有通流能力強(qiáng)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。但其導(dǎo)通延時長、殘余電壓高，是不適合與要求保護(hù)響應(yīng)快的流量計(jì)算機(jī)設(shè)備匹配的。分析其是導(dǎo)致系統(tǒng)電源回路雷擊損壞率高的關(guān)鍵原因。

圖6 陶瓷氣體放電管SPD

4 驗(yàn)證結(jié)果的綜合判定與結(jié)論

本次通過選定3個典型站點(diǎn)。確定驗(yàn)證方法和搭建試驗(yàn)裝置，從現(xiàn)場型流量計(jì)量系統(tǒng)雷電防護(hù)主設(shè)備開始，重點(diǎn)對其系統(tǒng)中雷擊導(dǎo)致?lián)p壞率高的信號、電源、通信回路的內(nèi)置保護(hù)單元、外置加強(qiáng)級浪涌保護(hù)器（SPD）等進(jìn)行了逐一測試，以取得的數(shù)據(jù)和歷史記錄資料，對損壞的組件進(jìn)行了細(xì)致入微的拆解剖析，得出如下分析結(jié)論。

（1）通過數(shù)據(jù)分析，現(xiàn)場計(jì)量變送器模塊內(nèi)置保護(hù)器與流量計(jì)量裝置外設(shè)保護(hù)器件的保護(hù)電壓的級差選型正確，雷擊損壞率低。

（2）通過數(shù)據(jù)分析，計(jì)量裝置24 V 電源端口保護(hù)電壓等級選型合理，但其內(nèi)部主元件響應(yīng)時間明顯不足。殘余電壓偏高，不適配流量計(jì)量系統(tǒng)電源回路快速響應(yīng)的保護(hù)需求，是導(dǎo)致系統(tǒng)電源回路雷擊損壞率高的重要原因。

（3）通過損壞現(xiàn)象剖析及對其元器件性能參數(shù)比對，確認(rèn)RS485通信端口外置信號浪涌抑制器的保護(hù)電壓比流量計(jì)算機(jī)內(nèi)置電路的保護(hù)電壓偏高、響應(yīng)時間過慢，導(dǎo)致外置加強(qiáng)級浪涌保護(hù)起不到應(yīng)有的保護(hù)作用。造成在雷災(zāi)高發(fā)期流量計(jì)算機(jī)器件損壞頻繁。

5 結(jié)語

基于以上現(xiàn)場型流量計(jì)量系統(tǒng)防雷性能失效分析出存在的系統(tǒng)缺陷，制定針對性的解決方案：對計(jì)量裝置24 V 電源（端口）保護(hù)器重新選型并更換，適配其快速響應(yīng)的保護(hù)需求；為RS485通信端口外置信號浪涌抑制保護(hù)器重新選型更換，確保外置保護(hù)的各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)于內(nèi)部模塊，提供有效的保護(hù)；增強(qiáng)現(xiàn)場型計(jì)量設(shè)備與上位機(jī)的等電位連接，以降低雷電感應(yīng)在傳輸回路上的脈沖電流；在條件具備的站點(diǎn)可將流量計(jì)算機(jī)遷移至室內(nèi)，以降低雷擊幾率。