計量儀表的防雷方式探討

何巖明, 紀(jì)波峰，紀(jì)綱

(1.中國石油化工股份有限公司 齊魯分公司,山東 淄博 255400；2.上海同欣自動化儀表有限公司，上海 200070)

計量儀表的防雷方式探討

何巖明1, 紀(jì)波峰2，紀(jì)綱2

(1.中國石油化工股份有限公司 齊魯分公司,山東 淄博 255400；2.上海同欣自動化儀表有限公司，上海 200070)

由于計量儀表在現(xiàn)場位置分散，而且大多露天安裝，因而容易受到雷電的侵襲。針對計量儀表現(xiàn)場安裝位置的特點，介紹了儀表防雷的3種主要方法:電磁屏蔽、等電位接地、安裝電涌保護器。通過某熱電廠防雷的應(yīng)用案例，表明了選用適當(dāng)?shù)姆览状胧ΡＷo計量儀表的安全、穩(wěn)定運行具有重要意義。

計量儀表 防雷 雷電電磁脈沖 屏蔽 等電位接地 電涌保護器

雷電是由雷云對地面建筑及大地的自然放電引起的一種能量極強的放電現(xiàn)象。它會對建筑物或設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，同時，形成強大的電磁脈沖，進入電子信息系統(tǒng)，對電子設(shè)備造成干擾，甚至破壞。

在2016年8月14日的一天內(nèi)，某公司就有多臺儀表因雷電而損壞。損壞的儀表不僅有安裝在現(xiàn)場的超聲波流量計、壓力變送器、雷達液位計，還有安裝在控制室內(nèi)的流量二次表、PLC以及安全柵等，雷擊損壞的儀表統(tǒng)計見表1所列。

1 計量儀表的防雷

在各種電氣電子設(shè)備中，計量儀表更容易受到雷電的傷害，這是由于計量儀表的特點和所處的環(huán)境引起的。

計量儀表大多位置較分散，很多是露天場所安裝。例如1個蒸汽供熱網(wǎng)，如果有100套蒸汽計量表，可能就有80套的安裝地點是全露天或半露天；罐區(qū)的儀表大多也是露天安裝。與安裝在建筑物、構(gòu)筑物內(nèi)的儀表相比，露天安裝的儀表少了一層保護，所以更易受到雷電的傷害。

計量儀表的損壞不僅導(dǎo)致直接的經(jīng)濟損失，更重要的是影響生產(chǎn)和管理。例如用于大宗原料、成品、能源貿(mào)易交接計量的計量器具，一旦因雷擊損壞，輕則影響貿(mào)易交接的正常進行，如果儀表損壞未及時發(fā)現(xiàn)，還會給交接中的一方帶來重大的經(jīng)濟損失。因此，多年來，關(guān)于儀表防雷保護問題，一直備受人們關(guān)注。

2 儀表防雷的主要方法

2.1 電磁屏蔽

直擊雷產(chǎn)生的瞬間電壓和電流非常巨大，電壓可高達數(shù)萬伏，電流可高達數(shù)萬安[1-2],強大的電流首先被高大的建筑物、構(gòu)筑物或設(shè)備上的接閃器，如接閃桿、避雷網(wǎng)接閃，然后被引入大地，而導(dǎo)致儀表及電子設(shè)備損壞的并不是直擊雷本身，而是巨大的閃電電流所產(chǎn)生的電磁脈沖。

表1 某公司雷擊損壞的儀表統(tǒng)計

IEC 1312—1定義的雷電電磁脈沖(LEMP)，是作為干擾源的閃電電流和閃電電磁場[3]。其中，閃電電磁場是無孔不入的，它不僅會直接侵入儀表，而且會在導(dǎo)線上、管道上以及其他導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，進而侵入儀表。

侵入儀表的LEMP，如果超過一定幅值，就會導(dǎo)致器件損壞甚至線路板、端子排燒毀，對于智能化儀表，常使存儲器中的程序和數(shù)據(jù)丟失。

電磁屏蔽是減少電磁干擾和防雷的基本措施。電磁屏蔽能減少交變電磁場對儀表的滲透，同時減小對儀表外部連接線上感應(yīng)的電動勢。具體做法:

1) 所有信號電纜均采用屏蔽雙絞線。文獻[4]對屏蔽電纜的接地，原則上是規(guī)定一端接地，另一端懸空。

2) 屏蔽電纜采用鋼管或封閉的鋼管線槽保護，盡量避免裸露于鋼質(zhì)保護管之外。保護管、走線槽必須中間連接良好，例如在2根鋼管連接處，用電氣夾頭和截面積為1.5 mm2的銅導(dǎo)線，將2段管子做電氣連接。保護管、走線槽必須兩端接地[5]。

在GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》[6]中，要求鋼制保護管盡可能埋地敷設(shè)，以增強屏蔽效果。

3) 利用建筑物本身屏蔽。對建筑物的墻壁、屋面內(nèi)的鋼筋，金屬門窗等進行等電位連接，并與防直擊雷的接地裝置相連，使之形成1個法拉第籠，從而形成對建筑物內(nèi)的儀表電子設(shè)備及線路的外層保護[6]。

有些控制室本身并不是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但在墻壁和屋面上用鋼絲網(wǎng)作了屏蔽處理，也能起到很好的屏蔽效果。

2.2 等電位接地

文獻[1]中對建筑物防雷做了具體的規(guī)定，按該標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建覆蓋面積很大的公共接地網(wǎng)，安裝在設(shè)備上、管道上的變送器、傳感器、二次表的接地，與該公共接地網(wǎng)相連，實現(xiàn)等電位接地。

航空飛行器雖然沒有接地，但由于它內(nèi)部的電子設(shè)備和飛行器的金屬外殼作了等電位連接，形成了1個等電位體，因此免受了雷電的影響[7]。

經(jīng)符合規(guī)范的屏蔽和接地處理的計量儀表，能基本預(yù)防雷電侵害。以上海的某幢88層大廈為例，就建筑物本身而言，有完善的防雷系統(tǒng)，可很好地抵御直擊雷的侵襲。大廈內(nèi)設(shè)有100余套以流量計為主的計量儀表以及計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，儀表中全部I/O線、通信線、電源線均采用雙絞屏蔽電纜，并采用穿鋼管保護，而且按規(guī)定接地，220 V(AC)電源引自配電箱。儀表系統(tǒng)采用三層屏蔽結(jié)構(gòu)，未采用電涌保護器(SPD)。儀表投運17a以來，未發(fā)生過一次雷電損壞事故。儀表的3層屏蔽結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三層屏蔽結(jié)構(gòu)示意

2.3 合理選用電涌保護器

上述屏蔽和接地措施是有效的，但屏蔽不可能做到天衣無縫，例如電源要從外部引入，在某些情況下和一些特定場合還無法完全取消架空線。此時必須借助于SPD對儀表及系統(tǒng)進行防雷保護。

在SPD的選型中，應(yīng)根據(jù)實際需要和SPD的特點合理選擇，特別要注意SPD的工作電壓、負載電流與系統(tǒng)回路相匹配，其最大連續(xù)操作電壓應(yīng)略大于回路最大正常工作電壓，負載電流應(yīng)大于回路最大正常工作電流，確保SPD在回路中正常工作。對于本安回路需注意SPD是否有相應(yīng)本安認證，其線路電阻值應(yīng)足夠小，能保證現(xiàn)場儀表電壓正常工作。對于加載通信信號的回路需注意SPD帶寬，確保正常信號通過[8-9]。在SPD的選用中，響應(yīng)時間必須比浪涌電流的上升速度快，響應(yīng)時間越短，抵制浪涌瞬態(tài)電壓的速度就越快。一般來說，SPD響應(yīng)時間應(yīng)小于10 ns[10]。

文獻[6]規(guī)定，機房內(nèi)的SPD接地端，應(yīng)采用截面積不小于1.5 mm2的多股絕緣銅導(dǎo)線，單點連接到機房等電位接地端子排上。安全接地、屏蔽接地和SPD接地等，均應(yīng)連接到等電位接地端子排上[11-12]。

3 防雷系統(tǒng)改進的實例

江蘇某熱電公司，配置有幾十套蒸汽流量計，全部為露天安裝。以前每年雷雨季節(jié)都有好幾臺儀表遭雷擊而損壞。因雷電損壞的儀表類型有:

1) 3051TG型壓力變送器:輸出部分損壞。

2) FT8600型GPRS無線數(shù)據(jù)收發(fā)器:數(shù)字通信口損壞。

3) DY系列渦街流量計:轉(zhuǎn)換器內(nèi)數(shù)據(jù)丟失；輸出部分損壞。

4) FC6000型流量演算器:I/O口損壞。

筆者接受委托去現(xiàn)場進行調(diào)查和診斷，發(fā)現(xiàn)該公司的每臺流量計的I/O口信號線和數(shù)字通信口信號線，已全部采用帶金屬屏蔽層的電纜，但電纜保護管采用PVC硬管，不符合規(guī)范要求。筆者建議委托方采取2項改進措施:將全部電纜保護管改為鋼管并將保護管按規(guī)定接地，而且盡量埋地敷設(shè)；合理配置SPD。

因為每臺蒸汽流量計量表有流量輸入信號、壓力輸入信號、溫度輸入信號、模擬輸出信號、數(shù)字通信口、電源接入口等多個節(jié)點，如果全面采用定型的SPD，費用較高。經(jīng)研究討論，采用簡化方案，即在每套流量計的交流電源接入口，裝設(shè)限壓型SPD，額定電壓為230 V(AC)；各I/O口增設(shè)400 W雙向瞬態(tài)抑制二極管TVS(transient voltage suppressor)保護器。由于TVS價格便宜，可固定在端子排上，所以設(shè)備材料費耗費較少。

改進措施實施后，效果十分顯著，實施5a以來，未發(fā)生過儀表因雷電而損壞的問題。

4 結(jié)束語

1) 計量儀表在生產(chǎn)控制和管理中扮演著重要角色，很容易受到雷電侵害。這些儀表一旦受損，不僅直接經(jīng)濟損失較大，更重要的是影響生產(chǎn)控制和貿(mào)易交接等，造成不可估量的其他損失。

2) 電子式儀表耐受的電壓很低，容易受到雷電傷害，雷電產(chǎn)生的LEMP，通過多種途徑侵入儀表，導(dǎo)致程序丟失或硬件損壞。計量儀表容易受到雷電傷害的另一原因是它們的分散性布置，甚至有很多為露天安裝，因而尤其需要重視防雷。

3) 屏蔽是儀表防雷的基本措施。儀表防雷的三層屏蔽，能有效地削弱LEMP對儀表系統(tǒng)的侵入，因此三層屏蔽不可偏廢。

4) 等電位接地也是儀表防雷的重要措施，應(yīng)按國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)實施。

5) 電涌保護器有多種，技術(shù)參數(shù)和價格差異懸殊，應(yīng)本著安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理的原則選用。實踐表明，TVS在計量儀表的I/O通道防雷方面，具有簡單有效，經(jīng)濟合理的效果。

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DiscussiononLightningProtectionofMeteringInstrument

He Yanming1, Ji Bofeng2, Ji gang2

(1.Sinopec Qilu Branch, Zibo, 255400, China; 2.Shanghai Tontion Automatic Instrument Co.Ltd., Shanghai, 200070, China)

s：Because of metering instruments are distributed wildly in site, and most of them are installed outdoor.It is vulnerable to be lightninged.Based on characteristics of measuring instrument on-site installation location, three methods of lightning protection are introduced:electromagnetic shielded, equipotential grounding, and surge protector installation.By the case of lightning protection in thermal power plant, it is indicated selection of appropriate lightning protection is of great importance to protect metering instruments running safely and stably.

metering instrument; lightning protection; lightning electromagnetic pulse; shield;equipotential grounding; surge protector

稿件收到日期：2017-08-24，修改稿收到日期2017-09-15。

何巖明(1966—)，男，甘肅蘭州人，現(xiàn)就職于中國石油化工股份有限公司齊魯分公司計量中心能源管理科，從事能源計量與管理工作,任科長。

TU895

B

1007-7324(2017)06-0054-03