電涌防護器在石油化工裝置中的應用

楊永鵬，何聯合

(華陸工程科技有限責任公司，西安 710065)

隨著化工裝置向著大型化、一體化的方向轉變，連續、安全、可靠的運行成為化工控制最基本的要求。近年來，由于自動化儀表系統遭受雷擊或雷電電磁脈沖干擾造成裝置、機組停運的情況屢有發生，防雷問題已經引起了有關方面的關注。筆者參與了珠海某石油化工項目的儀表防雷設計工作，在項目報批過程中，就儀表防雷問題與當地有關部門溝通過多次。期間，筆者查閱了多個相關規范，對防雷部門的要求進行了合理優化，最終該工程順利通過了防雷審批。通過該項目，筆者對自控防雷設計及相關規范有了較深刻的認識。文中僅對自控防雷工程中的一個重點——電涌防護器應用的相關內容進行描述，希望對自控設計人員在電涌防護器的應用方面有所幫助。

1 電涌防護器的概念及分類

按照SH/T 3164—2012《石油化工儀表系統防雷工程設計規范》，電涌防護器(SPD)也可稱為雷電浪涌防護器或浪涌防護器，IEC的定義為“用作限制瞬態過電壓和泄放電涌(沖擊)電流的裝置，它至少應該包括一個非線性的元件”。

1) 按工作原理， SPD可以分為電壓開關型、限壓型及組合型3種。

a) 電壓開關型SPD。在沒有瞬時過電壓時呈現高阻抗，一旦響應雷電瞬時過電壓，其阻抗就突變為低阻抗，允許雷電流通過，也被稱為“短路開關型SPD”。

b) 限壓型SPD。當沒有瞬時過電壓時為高阻抗，但隨電涌電流和電壓的增加，其阻抗會不斷減小，其電流電壓特性為強烈非線性，有時被稱為“鉗壓型SPD”。

c) 組合型SPD。由電壓開關型組件和限壓型組件組合而成，可以顯示為電壓開關型或限壓型或兩者兼有的特性，這取決于所加電壓的特性。

2) 按接線方式，SPD可分為分流型和扼流型。

a) 分流型SPD。與被保護的設備并聯，對雷電脈沖呈現為低阻抗，而對正常工作頻率呈現為高阻抗。

b) 扼流型SPD。與被保護的設備串聯，對雷電脈沖呈現為高阻抗，而對正常的工作頻率呈現為低阻抗。

3) 按用途分類， SPD可以分為電源線路型和信號線路型2種。電源線路型SPD指安裝在供配電線路上的SPD，這也是傳統SPD的主要用途。信號線路型是近些年新推出的，專用在儀表信號等弱電信號回路中。除特殊說明外，本文著重介紹自控專業常用的信號線路型。

2 SPD的主要參數及選型

2.1 主要參數

1) 標稱放電電流In： 是指SPD不損壞的最大電涌電流， 即SPD在通過標準實驗波形電流(規定為8/20 μs電流波)和規定實驗次數時，電涌電流的最大泄放能力。IEC規定常見的In值有0.05，0.10，0.25，0.50，1.00，1.50，2.00，2.50，3.50，10，15，20 kA。

2) 最大放電電流Imax： 又稱為最大通流量，指使用8/20 μs電流波沖擊，SPD能承受的最大放電電流。

3) 最大信號電流Ic： 指SPD所在線路的最大工作信號電流。對于兩線制、三線制、四線制的4～20 mA信號的儀表，Ic≥150 mA。對于24 V(DC)供電路線，如電磁閥、超聲波儀表、可燃氣體檢測器等儀表，Ic≥600 mA。

4) 殘流Ires： 對SPD不帶負荷，施加最大持續工作電壓Uc時，流過接地端子的電流。

5) 最大持續運行電壓Uc： 指允許持續加在SPD的最大電壓(交流電壓有效值或直流電壓)，也稱最大工作電壓。

6) 殘壓Ures： 指在In流過時，SPD端子電壓的峰值。Ures是確定SPD的過電壓保護水平的重要參數。

7) 限制電壓： 即最大殘壓值，對同一SPD，其正向和反向的殘壓值可能不相同，以其最大值作為其限制電壓。

8) 保護電壓Up： 表征SPD限制接線端子間的電壓特性參數，其值可從樣本列表中選取，應大于限制電壓的最高值。SPD的實際限制電壓值都不應大于這個規定的保護水平。

9) 插入損耗Ae： 在給定頻率下SPD安裝前后的電壓比率，一般來說，Ae越小，信號衰減越慢。在選擇信號SPD時，應選用Ae較小的SPD(要求Ae≤0.3 dB， ≤0.5 dB或≤3 dB)。

10) 響應時間： 從暫態過電壓開始作用于SPD的時間到SPD實際導通放電時刻之間的延遲時間，稱為SPD的響應時間，其值越小越好，通常限壓型SPD響應時間短于開關SPD。

2.2 選 型

在SPD選型前，需要明確： 10/350 μs波形是模擬直擊雷的波形，波形能量大；8/20 μs波形是模擬雷電感應和雷電傳導的波形。信號回路SPD實驗的模擬波形均為8/20 μs波；電壓開關型SPD主要泄放的是10/350 μs電流波，限壓型SPD主要泄放的是8/20 μs電流波。

SPD選型時主要考慮的參數有In，Uc，Up和響應時間等，In，Uc和Up越大越好，但過分放大會導致過度防護，造成用戶成本的上升。一般來說，In大于1 kA即可滿足防護要求，但可選擇5 kA，10 kA等規格(也可自行從IEC推薦數值中選擇)；Uc的值應大于被保護設備的正常工作電壓或供電線路電壓波動的最大值，對24 V(DC)供電的儀表，Uc一般為30 V(DC)。對24 V(DC)供電的儀表，Up一般是工作電壓的2～2.5倍，即為48～60 V(DC)；對交流供電儀表，Up一般取正常工作電壓的2～2.5倍，并應該小于被保護設備耐壓水平的80%；響應時間一般是越小越好，典型值為10～100 ns。

SPD有多種類型，以匹配不同的信號。對供電電壓為24 V(DC)的兩線制、三線制、四線制的4～20 mA信號儀表，其回路直流電源屬于信號供電，應配備信號類型的SPD；四線制直流供電電源屬于直流電源類型，應配備直流電源類型的SPD；對于220 V(AC)供電儀表，除配備4～20 mA信號線路型SPD外，還應該配電源線路型SPD。

另外，在SPD選型時應該注意，安裝在現場側的SPD應該滿足對應危險區域的防爆認證。用于爆炸危險環境一區的SPD，應通過國家或國際測試機構，取得相關危險區域的本質安全認證證書，該認證僅涉及SPD為本質安全儀表；用于爆炸危險二區的SPD，應取得相關的隔爆認證證書。

3 SPD的設置、安裝及接線

防雷工程的設計應根據目標的具體情況，綜合考慮雷擊事件的風險和投資條件，確定合適的防護范圍和目標，采用適宜的防護方案，經濟有效地防護和減少儀表系統雷擊事故的損失。設計中一般遵循文獻[1]的要求： 防雷等級為一級的區域和控制室應實施儀表系統防雷工程；防雷等級為二級的區域和控制室宜實施儀表系統防雷工程；防雷等級為三級的區域和控制室可實施儀表系統防雷工程。

3.1 SPD的設置原則

3.1.1現場儀表側SPD的設置原則

1) 當信號電纜在地面以上敷設的水平直線距離大于100 m或垂直距離大于10 m時，現場儀表和中心控制室或現場機柜間儀表兩側宜設置SPD。

2) 安全儀表系統的現場儀表側應該設置SPD。但連入安全儀表系統的現場觸點開關和來自配電室的信號側可不設置SPD。

3) 變送器現場側應設置SPD。變送器包括溫度變送器、壓力變送器、流位變送器和閥位變送器等。

4) 電氣轉換器、電氣閥門定位器、電磁閥等現場電信號執行器類儀表側應設置SPD。另外，限位開關是否設置SPD應該根據開關的形式(電子開關，觸點開關)確定。

5) 熱電阻現場端應設置SPD。

6) 電子開關現場端應設SPD。電子開關指所有具有SPDT或DPDT輸出的開關(非機械式)，如液位開關、壓力開關、namur式或接近式的限位開關等。

7) 熱電偶現場端可不設置SPD。

8) 觸點開關現場端不應設置SPD。觸點開關主要是指機械式的限位開關，如電接點壓力表，電接點溫度計等。

9) 配電間及電氣控制室來的機泵信號可不設置SPD。如果配電間或電氣控制室到中心控制室(現場機柜間)的距離超過100 m，則應在中心控制室(現場機柜間)側設置SPD。

3.1.2中心控制室(現場機柜間)側SPD的設置原則

按文獻[1]的要求，儀表系統的同一信號線路端，只設一級SPD。如果現場儀表側設置了SPD，則中心控制室(現場機柜間)側也應設置SPD。如果現場儀表側未設置SPD，但從現場儀表到中心控制室(現場機柜間)的水平距離超過100 m，則在中心控制室(現場機柜間)側應設置SPD。

3.1.3現場總線系統SPD的設置原則

對現場總線系統，在設置SPD時要明確以下幾點：

1) 當現場分支線路(指從現場儀表到現場總線接線盒之間的線路)在地面以上敷設的水平直線距離大于100 m或垂直距離大于10 m時，應在總線兩端的現場總線儀表和設備(指現場總線接線盒)間設置SPD。

2) 現場總線干線連接著主控制器的總線接口卡(H1卡)和現場的總線分支設備，總線干線兩端包括延伸段，應該設置SPD。

3) 如果現場總線分支模塊是不帶電子電路的簡單連接，可以不設分支模塊端的SPD，但當現場分支電纜在地面以上敷設的水平直線距離大于100 m或垂直距離大于10 m時，應在分支模塊端設置SPD。

4) 對于現場總線分支模塊是帶電子電路的智能分支模塊，如果現場儀表側設置了SPD，分支模塊端也應設置SPD。

現場總線系統中，常規的通用SPD不適用于現場總線系統，除非產品標明適用于現場總線?，F場儀表側SPD的設置可參考本文3.1.1進行。

3.1.4通信設備SPD的設置

如果工藝裝置現場有成套設備的控制系統，并與控制室進行通信，在通信線路兩端應設置相應信號類型的SPD。如果采用光纖通信，光纖兩端可不設置SPD。

3.2 SPD的安裝及接線

3.2.1現場儀表側SPD的安裝及接線

一般來說，SPD的輸出端應與被保護設備的電氣接口直接相連，盡可能減少從SPD到被保護設備的距離，現場側的SPD有串聯和并聯之分，如果采用串聯方式，SPD的輸出端接現場儀表側，輸入端去控制室，此時，SPD采用通用型，安裝在專用的保護箱中。文獻[1]要求并聯安裝的SPD的輸出端至現場儀表間的導線總長度不大于0.5 m，串聯安裝的SPD到現場儀表之間的導線長度不大于5 m。

3.2.2中心控制室(現場機柜間)側SPD的安裝及接線

中心控制室或現場機柜間側的SPD均串聯在回路中，并且其輸入端應接現場側的信號，輸出端接控制系統的IO卡柜。SPD應該安裝在單獨的機柜中或獨立的導軌上。

1) 對非本安系統，SPD可利用單獨的導軌直接安裝在機柜中，其輸出信號直接去系統IO卡件?，F場來的電纜直接接至SPD的輸入端，電纜的屏蔽層可以直接接至機柜的工作接地匯流板上。

2) 對本質安全系統，SPD不是本質安全系統的安全柵，二者不能相互代替。設置有SPD的電路在不受雷電電涌影響時，電路應該是本質安全的。即對本安系統，SPD的設置不應破壞原有線路的本安特性，設計完成后如有必要，可以對整個回路進行本安回路計算驗證。

3) 本質安全系統的SPD安裝時，SPD和安全柵(BR)可以分開裝在不同的機柜中，也可以混裝在同一面機柜中，但應該安裝在獨立的導軌上。

3.2.3現場總線系統SPD的安裝及接線

現場總線系統SPD的安裝可分為兩部分： 現場儀表側部分和現場接線盒及控制系統。現場儀表部分SPD的安裝可參考本文3.2.1條；現場接線盒及控制機柜部分SPD的安裝，按目前的慣例，均由DCS成套，SPD均采用獨立的導軌安裝方式。

應當注意的是，在現場總線接線合內安裝的SPD，應該滿足對應危險區域的防爆認證。

主控制器總線接口卡處和智能分支模塊處的SPD均串聯在電路中。

3.3 SPD的接地

SPD的接地基本原理如圖1所示。

圖1 SPD接地示意

當被保護設備設置SPD后，被保護設備的保護接地應和SPD的接地線良好連接，并接地，SPD的接地連線應為截面積2.5 mm2的多股絞合絕緣銅線?，F場儀表側的接地連接導線截面積為4～6 mm2，該接地線就近接至電氣的防雷接地網上。

對現場總線接線箱內的SPD，可通過SPD的接地端子或安裝導軌與接線箱的保護接地端子相連，并把接線箱的保護接地就近接到電氣的防雷接地網上來實現。

控制室側SPD的接地，可以通過安裝導軌和機柜的保護接地匯流排直接連接來實現，電纜截面積為4～6 mm2。對大型控制室，有多個SPD機柜的情況下，從機柜保護接地匯流排到保護接地排的間距不宜大于0.5 m，最大間距不宜大于3 m(接地電纜截面積為6～16 mm2)，可以采用分組接地排的模式來實現。

4 結束語

該項目于2013年6月開車并投產，穩定運行一年多來，取得了可觀的經濟效益和社會效益，充分證明了儀表防雷設計是相對成功的。

儀表防雷設計是近年石油化工項目出現的一個較新的內容，越來越多的石油化工項目在消防報批時都會涉及防雷設計，作為一名自控工程技術人員，有必要熟悉儀表防雷設計規范并進行合理的防雷設計。設置SPD是儀表防雷工程各項工作中的重中之重，但不能取代儀表防雷工程的其他內容。合理正確地設置SPD，使之既能符合規范要求，又要防止過度防護，造成浪費。

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