電涌保護(hù)器在水廠控制系統(tǒng)的防雷應(yīng)用探討

滕大祝，王林

(1. 揚子石油化工有限公司，江蘇 南京 211100；2. 南京優(yōu)倍電氣有限公司，江蘇 南京 211100)

隨著石油化工產(chǎn)業(yè)的資源整合，規(guī)模大、控制點數(shù)多的裝置越來越多。可編程控制器(PLC)系統(tǒng)及現(xiàn)場設(shè)備集成度越來越高，體現(xiàn)在節(jié)約柜體空間，體積越來越小，但面臨的難題是微電子耐受外界干擾能力相對較弱。在強(qiáng)雷電頻繁發(fā)生的場合，信號回路、電源回路中由于直擊雷或感應(yīng)雷所造成的干擾，對電源、電流/電壓、開關(guān)量、通信等卡件端口造成很大影響[1-2]。因此，在現(xiàn)場至控制室之間的傳輸線纜兩端設(shè)置電涌保護(hù)器(SPD)，保護(hù)PLC,DCS,SIS等系統(tǒng)卡件及現(xiàn)場設(shè)備變得尤為重要。

1 雷電波形分類及危害

雷電被分為直擊雷和感應(yīng)雷。直擊雷直接破壞建筑物、輸電網(wǎng)、曠野中的突出物等，其雷電波形為10/350 μs的電流波，屬于Ⅰ類防雷。感應(yīng)雷是由雷電產(chǎn)生的雷電電磁脈沖，以電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)的作用，通過金屬管道和電纜線路引入，其雷電波形為8/20 μs的電流波，大小為幾千伏到幾十千伏之間，屬于Ⅱ類防雷。對于電源和控制開關(guān)切換時產(chǎn)生瞬變振鈴波干擾信號，其波形為0.5 μs ，100 kHz，屬于脈沖頻率[3-4]。不同能量的雷電流波形如圖1所示。

圖1 不同能量的雷電流波形示意

雷電短路波形8/20 μs的電流波，其波前時間為8 μs，半峰時間為20 μs，短路電流函數(shù)描述為：

(1)

式中：A——常數(shù)；Ip——峰值電流；τ——時間常數(shù)；t——時間。

雷電開路波形1.2/50 μs的電壓波，其波前時間為1.2 μs，半峰時間為50 μs，開路電壓指數(shù)函數(shù)描述為

(2)

式中：Up——峰值電壓；τ1，τ2——時間常數(shù)。

將開路電壓波(1.2/50 μs)和短路電流波(8/20 μs)合成一個單一波形時，稱之為組合波，屬于Ⅲ類防雷，通常終端設(shè)備考慮波形大小為20 kV/10 kA。它通過電阻式、電感式、電容式等耦合方式，分別在電源線、信號線等路徑傳輸，對電氣設(shè)備及信號設(shè)備造成短暫甚至永久性的損壞，影響設(shè)備的穩(wěn)定運行，造成信號傳輸丟失等危害。

2 電涌保護(hù)器分類及參數(shù)

SPD是保護(hù)電氣/電子設(shè)備的器件，是用于雷擊或高壓開關(guān)引起的瞬態(tài)電涌的保護(hù)設(shè)備。在被保護(hù)設(shè)備前設(shè)置SPD，在回路中，將外界的干擾沖擊大電流瞬時泄放，鉗位電壓。

SPD主要分為電壓開關(guān)型和限壓型。電壓開關(guān)型SPD在沒有電涌時，呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，在電涌發(fā)生時，其由高阻變低阻，泄放大電流，將被保護(hù)設(shè)備兩端的電壓限制在較低的水平，由氣體放電管組成。限壓型SPD在沒有電涌狀態(tài)下呈現(xiàn)高阻，當(dāng)電涌增加時阻抗持續(xù)變小，由壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管組成。最終電涌結(jié)束之后，該非線性元件又自恢復(fù)成高阻狀態(tài)(即開路狀態(tài))，并連在回路之中，不影響信號的正常傳輸。

在電源供電系統(tǒng)或信號回路系統(tǒng)中，SPD需要具備如下要求[5]：

1)最大持續(xù)運行電壓。允許設(shè)置并持續(xù)不損壞SPD的工作電壓，可以為交流電壓或直流電壓。

2)標(biāo)稱放電電流。設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)試驗波形電流和規(guī)定實驗次數(shù)時，SPD不損壞的最大電涌電流。

3)電壓保護(hù)水平。通過標(biāo)準(zhǔn)試驗波形，泄放電涌電流時，在SPD輸出端呈現(xiàn)的最大安全電壓值。

4)插入損耗。當(dāng)保護(hù)回路中插入SPD所引起的回路損耗，等于插入前后的功率損耗。

依據(jù)雷電保護(hù)區(qū)域劃分，有LPZ0A，LPZ0B，LPZ1，LPZn等防雷區(qū)，雷電的巨大能量是無法一次性泄放完成，采用分級泄放的方式較為合理。通常Ⅰ類SPD設(shè)置在電源總配電回路中，泄放直擊雷所產(chǎn)生的巨大能量；當(dāng)Ⅰ類防雷產(chǎn)品泄放完大部分雷電流之后，需要Ⅱ類SPD持續(xù)泄放Ⅰ類所殘留的雷擊電流；在終端信號、通信接口等處設(shè)置Ⅲ類SPD進(jìn)行防護(hù)，將殘壓值降到最低，不同系統(tǒng)回路中的設(shè)備，SPD電壓保護(hù)水平要求見表1所列[6-7]。

表1 不同設(shè)備的SPD電壓保護(hù)水平分布

3 可編程控制器系統(tǒng)失效事故分析及改善方案

3.1 控制系統(tǒng)失效分析

某水廠凈一裝置的2套PLC應(yīng)用于純氧生化單元和過濾泵房，由于遭受外部強(qiáng)雷電天氣，導(dǎo)致控制室PLC無法采集現(xiàn)場信號，同時無法控制現(xiàn)場設(shè)備。發(fā)生報警后，在PLC端和現(xiàn)場端采用故障排除法，更換PLC各部件單元，發(fā)現(xiàn)24 V(DC)電源模塊以及集成接口底板及通信卡件發(fā)生損壞，導(dǎo)致AI，DI板卡不能工作，無法通信。

進(jìn)一步分析卡件底板及卡件故障原因，發(fā)現(xiàn)純氧生化單元控制系統(tǒng)失效前，發(fā)生了強(qiáng)雷電天氣，直擊雷通過電源線引入，演變成二次感應(yīng)雷擊，損壞了控制系統(tǒng)工作電源的電子單元，研究發(fā)現(xiàn)集成接口底板電源處端口電容及壓敏電阻等電子器件發(fā)生短路，導(dǎo)致底板無法正常配電工作，使得系統(tǒng)工作異常，造成單元控制系統(tǒng)失效。事故排查小組在現(xiàn)場分析中發(fā)現(xiàn)，在控制系統(tǒng)AI端口設(shè)置部分5 kA信號SPD進(jìn)行信號防護(hù)；而在控制系統(tǒng)的220 V(AC)電源輸入以及24 V(DC)電源輸入端，則未設(shè)置SPD，導(dǎo)致電源輸入部分擊穿損壞，由于信號回路設(shè)置了SPD，否則二次感應(yīng)雷擊將造成更多設(shè)備的損壞[8-9]。

3.2 控制系統(tǒng)防雷設(shè)計方案

綜合防雷系統(tǒng)是由內(nèi)部防雷和外部防雷組成，外部防雷采取接閃器、引下線、屏蔽、接地裝置等措施，主要用于直擊雷防護(hù)；內(nèi)部防雷主要采取安裝SPD、合理布線、等電位連接、屏蔽等措施，外部防雷和內(nèi)部防雷共用接地系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 綜合防雷系統(tǒng)示意

現(xiàn)場動力線或信號線進(jìn)入控制系統(tǒng)，在線路總配電柜應(yīng)設(shè)置Ⅰ類(≥12.5 kA,10/350 μs)SPD或大通流能力的Ⅱ類(≥80 kA, 8/20 μs)SPD作為一級防雷保護(hù)，區(qū)域為LPZ0A，或LPZ0B與LPZ1交界處；在分配電柜及后續(xù)配電柜防護(hù)區(qū)域中，設(shè)置Ⅱ類(≥40 kA,8/20 μs)或Ⅲ類(≥5 kA, 8/20 μs)SPD進(jìn)行保護(hù)；特別是電子通信及控制信號設(shè)備的電源端口需設(shè)置Ⅲ類SPD進(jìn)行保護(hù)。

針對事故現(xiàn)象及原因分析，發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)電源底板端口具備防電涌的保護(hù)器件設(shè)計，不過其本身的被動保護(hù)器件——壓敏電阻為800 A(8/20 μs)，其抗沖擊能力較弱。通常遭受二次感應(yīng)雷擊或者高壓開關(guān)開啟引起的瞬態(tài)電流為3 kA及以上，為了解決上述問題，對現(xiàn)有控制系統(tǒng)進(jìn)行防雷設(shè)計布局改造設(shè)計，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)防雷方案設(shè)計示意

在控制系統(tǒng)機(jī)柜的220 V(AC)電源端口處新增電源型(40 kA，8/20 μs)SPD，在24 V電源卡件供電處新增加24 V(DC)電源型(20 kA，8/20 μs) SPD進(jìn)行保護(hù)。SPD選擇原則為： 具有熱插拔功能，帶失效指示及遠(yuǎn)程功能，可有效防止后期SPD損壞,以及無法判別的現(xiàn)象發(fā)生。將失效干接點信號作為開關(guān)量信號，輸入PLC進(jìn)行平臺報警設(shè)計，既解決電涌沖擊干擾問題，又可實現(xiàn)很好的器件失效監(jiān)控功能。信號SPD則依據(jù)SH/T 3164—2012《石油化工儀表防雷設(shè)計規(guī)范》建議： 當(dāng)線纜鋪設(shè)長度，在水平距離大于100 m和垂直距離大于10 m的情況下，兩線制、三線制變送器現(xiàn)場端、電氣閥門定位器、信號數(shù)據(jù)通信等設(shè)置現(xiàn)場信號SPD，控制室一側(cè)信號SPD，該次改造選擇了10 kA高浪涌沖擊能力產(chǎn)品，通過對控制系統(tǒng)的電源回路和信號回路的電涌雷擊設(shè)計方案改造，從而達(dá)到合理保護(hù)的作用[10]。

當(dāng)工業(yè)控制系統(tǒng)及儀表的電源和信號線從室外架空引入室內(nèi)后，需要配置SPD，其接地應(yīng)直接或通過機(jī)柜的保護(hù)接地匯流排接到機(jī)柜下方的網(wǎng)型結(jié)構(gòu)接地排[10]。室內(nèi)安裝的單臺儀表的接地線徑為1.0～2.5 mm2，現(xiàn)場儀表或接線箱的接地連接線徑為2.5～4.0 mm2，接地連接電阻小于1 Ω。

在現(xiàn)場側(cè)進(jìn)行電涌防護(hù)時，需要將被保護(hù)現(xiàn)場儀表金屬設(shè)備的接地端子或外殼與SPD的接地線相連，并保證就近接地，所有用于雷電電流泄放的導(dǎo)體、線纜應(yīng)盡可能短，并采用直線路徑鋪設(shè)，如圖4所示?，F(xiàn)場儀表金屬外殼可通過接地螺釘與金屬安裝支架相連，或通過金屬設(shè)備、容器等設(shè)備接地。

圖4 SPD接地連接示意

4 結(jié)束語

綜上所述，石油化工行業(yè)控制系統(tǒng)的雷電防護(hù)非常重要，必須予以重視。本文分析了不同雷電波形及其危害，對SPD的分級、分區(qū)域保護(hù)提供了案例，給出具體的SPD的定義及電氣參數(shù)，同時分析了某水廠凈一裝置因為雷電造成的事故及解決方案，增加了電涌防護(hù)器，進(jìn)一步提升控制系統(tǒng)回路中關(guān)于現(xiàn)場設(shè)備和卡件等設(shè)備抗干擾能力，同時通過合理的接地，實現(xiàn)可靠的雷擊抗干擾設(shè)計。