儀表信號防雷在沼氣工程中的應(yīng)用

王 沖

(中國海誠工程科技股份有限公司，上海 200031)

1 引言

沼氣工程中室外罐區(qū)儀表可能因受雷電影響，使得相應(yīng)的自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，從而導(dǎo)致生產(chǎn)裝置停車，造成安全事故或經(jīng)濟(jì)損失。為了更好的保障生命和財產(chǎn)的安全，在可能產(chǎn)生此類事故的區(qū)域，應(yīng)考慮儀表信號的防雷措施。

儀表防雷是一個系統(tǒng)性的設(shè)計，包含等電位連接與接地、信號電纜的屏蔽與接地、儀表設(shè)備的屏蔽與接地、設(shè)置浪涌保護(hù)器等。此處僅針對在實際工程中容易忽視的一點即信號防雷浪涌保護(hù)器[1]進(jìn)行闡述，分析其在實際工程中的應(yīng)用。

2 浪涌保護(hù)器的分類及參數(shù)

雷電對工程儀表系統(tǒng)危害的根本原因在于雷電流和雷電電磁脈沖，而雷電流與雷電電磁脈沖是伴隨發(fā)生，在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)換。雷電流由雷直接擊打系統(tǒng)設(shè)備或線路產(chǎn)生，雷電電磁場內(nèi)的線路上感應(yīng)雷電浪涌，沿線路入侵設(shè)備而將設(shè)備損壞。

雷電浪涌可能造成儀表信號在傳輸過程中的不穩(wěn)定、異常等；可能造成儀表、控制系統(tǒng)的損壞、降低使用壽命；破壞儀表系統(tǒng)整體安全性和穩(wěn)定性，增加維護(hù)成本等。因而在可能受到雷電影響的區(qū)域，其自控儀表系統(tǒng)應(yīng)采取一系列的防雷措施進(jìn)行應(yīng)對。一般儀表工程設(shè)計時會考慮整個儀表控制系統(tǒng)的保護(hù)接地和工作接地、采用儀表屏蔽電纜等，而信號浪涌保護(hù)器，特別是室外設(shè)置的信號浪涌保護(hù)器經(jīng)常被忽略。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的定義，浪涌保護(hù)器(SPD)指用于限制瞬態(tài)過電壓和分流電涌電流，保護(hù)電氣或電子設(shè)備的器件[2]。

浪涌保護(hù)器根據(jù)其工作原理可分為三種類型：

電壓開關(guān)型在沒有瞬時過電壓時為高阻抗特性，一旦響應(yīng)雷電瞬時過電壓，其阻抗就突變?yōu)榈妥杩固匦?，允許雷電電流通過。

限壓型在沒有瞬時過電壓時為高阻抗特性，但隨電涌電流和電壓的增加，其阻抗會不斷減少。

組合型有電壓開關(guān)型和限壓型浪涌保護(hù)器的兩種特性。

浪涌保護(hù)器根據(jù)其應(yīng)用用途可分為兩種類型：

電源型應(yīng)用在供配電電源線路上。

信號型應(yīng)用在儀表信號線路上，包括模擬量、數(shù)字量信號等。

浪涌保護(hù)器根據(jù)其接線方式可分為兩種類型：

串聯(lián)型與被保護(hù)的設(shè)備串聯(lián)，對工作頻率為低阻抗特性，而對雷電為高阻抗特性。

并聯(lián)型與被保護(hù)的設(shè)備并聯(lián)，對工作頻率為高阻抗特性，而對雷電為低阻抗特性。浪涌保護(hù)器是目前電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可或缺的一種裝置，通過把線路中的瞬時過電壓限制在可承受的范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)雷電流泄流入地，保護(hù)設(shè)備不受沖擊。在常見的

工程儀表系統(tǒng)中使用的信號防雷浪涌保護(hù)器，其主要參數(shù)包括：

(1) 最大持續(xù)運行電壓Uc：浪涌保護(hù)器長期工作的最大信號電壓有效值或直流電壓。

(2) 最大信號電流Ic：電涌防護(hù)器所在線路的最大工作信號電流。

(3) 標(biāo)稱放電電流In：浪涌保護(hù)器正常通過的最大電涌電流(8/20us)，是指浪涌保護(hù)器在通過8/20us標(biāo)準(zhǔn)實驗波形電流規(guī)定的實驗次數(shù)時，不損壞浪涌保護(hù)器的最大泄放電流。

(4) 響應(yīng)時間：標(biāo)準(zhǔn)實驗波形電壓開始作用于浪涌保護(hù)器的時刻到浪涌保護(hù)器實際導(dǎo)通放電時刻之間的延遲時間。

在信號防雷浪涌保護(hù)器的選型時主要考慮以上幾個參數(shù)，在保證安全的前提下同時考慮成本。對24V直流供電的儀表設(shè)備，其Uc一般不超過36V；而對于兩線制及四線制的4～20mA信號的儀表設(shè)備，其Ic>=150mA；對于24V直流供電的，如電磁閥等線路，其Ic>=600mA；一般對儀表信號來說， In大于1kA即可滿足防護(hù)要求，但實際使用中也可選擇5kA，10kA等規(guī)格；響應(yīng)時間是越小越好，信號防雷浪涌保護(hù)器的響應(yīng)時間一般不超過5ns。

3 信號防雷浪涌保護(hù)器的設(shè)計原則

在工程設(shè)計中，儀表防雷設(shè)計應(yīng)結(jié)合工程實際所在區(qū)域及工程的特點進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。對于沼氣工程來說，因其生產(chǎn)過程及產(chǎn)品的特殊性，存在一些需考慮電氣防爆的區(qū)域。這些區(qū)域一旦遭受雷擊，可能會引發(fā)爆炸，在設(shè)計時需多方面考慮。

以某沼氣工程厭氧罐區(qū)為例，由于罐內(nèi)爆炸性氣體沼氣的存在，應(yīng)根據(jù)爆炸性氣體混合物出現(xiàn)的頻繁程序和持續(xù)時間將爆炸性氣體環(huán)境劃分為0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)，并配置相應(yīng)的防爆設(shè)備[3]。同時，也可結(jié)合沼氣工程的相關(guān)規(guī)范中的示意圖對相關(guān)區(qū)域進(jìn)行劃分，如圖1所示[4]。

1-厭氧消化器； 2-消化器基礎(chǔ)； 3-2區(qū)

該工程厭氧消化器的高度H為22米，即從地面11米高度以上的所有儀表設(shè)備包括所需的信號浪涌保護(hù)器應(yīng)選用滿足2區(qū)防爆要求的設(shè)備，可選用隔爆型ExdIICT6 Gb。

對于此類有防爆要求的室外罐區(qū)，應(yīng)更加注重設(shè)計儀表信號防雷，以應(yīng)對突發(fā)情況。一般工程項目在考慮儀表信號防雷時主要考慮以下幾個因素：

(1)雷電防護(hù)等級

在進(jìn)行儀表系統(tǒng)的防雷設(shè)計時，首先應(yīng)根據(jù)工程區(qū)域的雷電活動等級(少雷區(qū)、多雷區(qū)、高雷區(qū)、強(qiáng)雷區(qū))及系統(tǒng)對社會、經(jīng)濟(jì)和安全重要程度分類(第一類、第二類、第三類)確定該區(qū)域的雷電防護(hù)等級。

該沼氣工程所在區(qū)域為多雷區(qū)，系統(tǒng)對社會、經(jīng)濟(jì)和安全重要程度可定為第二類，由此確定該工程的雷電防護(hù)等級為二級。

(2)儀表防雷設(shè)計原則

儀表防雷的整體設(shè)計需同時考慮風(fēng)險和投資，并結(jié)合同類項目的經(jīng)驗。根據(jù)規(guī)范：

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。

考慮該沼氣工程項目的風(fēng)險和業(yè)主投資情況，設(shè)置儀表系統(tǒng)防雷工程。

4 信號防雷浪涌保護(hù)器的應(yīng)用

4.1 信號浪涌保護(hù)器的設(shè)置

該沼氣工程項目厭氧罐區(qū)域的儀表露天布置，室外分布的儀表包括壓力變送器、溫度變送器、物位變送器、電磁流量計、質(zhì)量流量計、氣動調(diào)節(jié)閥、氣動開關(guān)閥等，且信號敷設(shè)至控制室PLC機(jī)柜的距離比較遠(yuǎn)，故選擇在現(xiàn)場儀表和控制室儀表兩端設(shè)置信號浪涌保護(hù)器。

現(xiàn)場變送器的信號浪涌保護(hù)器選用裝配式浪涌保護(hù)器，直接安裝在現(xiàn)場儀表變送器上，也可采用內(nèi)置集成式浪涌保護(hù)器；現(xiàn)場閥門的信號浪涌保護(hù)器選用導(dǎo)軌式浪涌保護(hù)器，安裝在防爆接線箱內(nèi)；控制室儀表端的信號浪涌保護(hù)器選用導(dǎo)軌式浪涌保護(hù)器，安裝在控制機(jī)柜內(nèi)，如圖2所示。

現(xiàn)場側(cè)的信號浪涌保護(hù)器應(yīng)滿足危險區(qū)域的防爆要求。該工程配置的信號浪涌保護(hù)器主要有以下類型：

(1) 4～20mA兩線制

此類型信號浪涌保護(hù)器用于厭氧罐及管道上的壓力變送器、溫度變送器、物位變送器、閥位變送器等信號。

(2) 4～20mA四線制

此類型信號浪涌保護(hù)器用于室外管道上的電磁流量變送器及質(zhì)量流量變送器信號。

(3)電磁閥兩線制開關(guān)量

此類型信號浪涌保護(hù)器用于室外自動開關(guān)閥閥體上的24VDC電磁閥信號。

(4)限位開關(guān)兩線制

此類型信號浪涌保護(hù)器用于室外自動開關(guān)閥閥體上的兩線制接近式限位開關(guān)(電子開關(guān))信號。

圖2 信號浪涌保護(hù)器的應(yīng)用

4.2 信號浪涌保護(hù)器的安裝

裝配式浪涌保護(hù)器可直接安裝在現(xiàn)場變送器本體上，內(nèi)置短接線與變送器連接，連接后與變送器可看作一體；此種類型的浪涌保護(hù)器無需單獨接地，可通過變送器一起現(xiàn)場保護(hù)接地；信號浪涌保護(hù)器的的出線經(jīng)金屬管、橋架敷設(shè)至機(jī)柜室的PLC機(jī)柜內(nèi)，與機(jī)柜側(cè)的信號浪涌保護(hù)器連接，再輸送至PLC信號卡件。

PLC柜內(nèi)的導(dǎo)軌式信號浪涌保護(hù)器與柜內(nèi)保護(hù)接地相連接，同時其工作接地由現(xiàn)場一直連接至PLC柜內(nèi)，并通過機(jī)柜與儀表總工作接地連接。

現(xiàn)場導(dǎo)軌式浪涌保護(hù)器安裝在現(xiàn)場接線箱內(nèi)，接線箱與被保護(hù)儀表應(yīng)盡可能接近，其連接電纜一般不超過5米，以保證防雷效果。此種類型的浪涌保護(hù)器可與接線箱、儀表在現(xiàn)場合并保護(hù)接地，其工作接地同樣通過電纜敷設(shè)至機(jī)柜側(cè)實現(xiàn)單點接地。

5 結(jié)束語

儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計在整個自控系統(tǒng)的可靠性中占有重要地位，設(shè)計中應(yīng)重視信號防雷保護(hù)器的應(yīng)用，以提高項目的整體安全性和可靠性。儀表防雷設(shè)計時應(yīng)結(jié)合相關(guān)規(guī)范和實際工程經(jīng)驗，綜合考慮風(fēng)險和投資水平，在保證安全的前提下避免浪費。