石油化工行業(yè)中本質(zhì)安全型浪涌保護器的設(shè)計與選擇分析

張 燁，耿令超，李端祥，宗學(xué)賢

(1.青島科技大學(xué) 山東化工研究院，山東 濟南 250014；2.山東春旭化工設(shè)計有限公司，山東 濟南 250014；3.山東省思威安全生產(chǎn)技術(shù)中心 ， 山東 濟南 250014)

雷電屬于一種放電現(xiàn)象，在北方常見于夏季和秋季的雨天，因為發(fā)生雷電現(xiàn)象時，會產(chǎn)生巨大的雷電流和極高的過電壓，所以，輕則劈裂樹木，重則引發(fā)石油化工廠爆炸及火災(zāi)事故，甚至破壞各類石油化工設(shè)施、擊斃人畜。近年來，伴隨著化工行業(yè)工業(yè)化程度的提升和高速發(fā)展，本質(zhì)安全型浪涌保護器成為石油化工行業(yè)中防止電子系統(tǒng)遭遇破壞性襲擊的重要設(shè)備，又因為設(shè)備內(nèi)的芯片對外界環(huán)境的敏感性較強，為了保證石油化工業(yè)控制系統(tǒng)的安全運行，本質(zhì)安全型浪涌保護器成為石油化工企業(yè)中不可缺少的設(shè)備之一。

1 雷電流

雷電流是一種伴隨著雷雨天氣的放電現(xiàn)象，又被理解為理想電流源。電壓的高低與通過導(dǎo)體的電阻和電流的幅值有密切關(guān)系。可以用物理中歐姆定律:U=I×R來解釋理想電流源。當雷電流通過導(dǎo)體時，受電流和電阻的影響，導(dǎo)體兩端的電壓會出現(xiàn)變化。因此，當發(fā)生雷電現(xiàn)象時，雷電流會迅速傳入建筑物中的接地裝置，在接地電阻的影響下，使電壓發(fā)生變化。此時的電壓會急劇升高，會遠遠超過一般的220V，達到10kV/5kA及其以上，從而引發(fā)地接裝置及其相關(guān)儀器被擊穿的危險。

2 本質(zhì)安全型浪涌保護器

本質(zhì)安全型浪涌保護器是一種安裝于危險區(qū)域的防護設(shè)備，主要是用來防止電力系統(tǒng)設(shè)備在受到雷擊時，導(dǎo)體兩端電壓在短時間內(nèi)發(fā)生改變而引發(fā)的危險。它的工作原理是當雷擊致使接地設(shè)備的電壓在相對短暫的時間內(nèi)發(fā)生變化時，將原本電流改為暫態(tài)電流而放到地上，讓電力系統(tǒng)之間的電壓處于安全水平，讓各設(shè)備之間的信號線能夠正常傳輸，從而起到保護整個石油化工企業(yè)電力系統(tǒng)的作用。

本質(zhì)安全型浪涌保護器在未受到外界自然現(xiàn)象干擾時，電力設(shè)備處于安全狀態(tài)。一旦監(jiān)測到信號異常時，在它的內(nèi)部還存有至少一個非線性元件就開始發(fā)揮作用，例如：當電壓瞬間增加時，該非線性元件會迅速變成較低的電阻，在一定程度上降低設(shè)備兩端的電壓，使其處在同一水平。而當雷電流退去時，該非線性元件的電阻，又會恢復(fù)到之前的高阻狀態(tài)，使設(shè)備繼續(xù)在穩(wěn)定的環(huán)境下運行。總之，該浪涌保護器具有不產(chǎn)生點火能量和存儲性的特點，一旦使用不僅可以有效維護接地設(shè)備的安全，而且還會保護現(xiàn)場接口儀表[1]。

3 本質(zhì)安全型浪涌保護器的設(shè)計

伴隨著安全意識的提高，對石油化工企業(yè)本質(zhì)安全型浪涌保護器的設(shè)備質(zhì)量提出了更高要求。目前，本質(zhì)安全型浪涌保護器的電路主要采用了二級保護方式進行設(shè)計[2-3]。

首先進行對動作、響應(yīng)速度最快的是瞬態(tài)抑制二極管(TVS)，它會以Ps級的速度使導(dǎo)體兩端的電阻發(fā)生變化、由高變低，使兩端之間的額定電壓反向關(guān)斷電壓，使現(xiàn)有電壓可以擊穿電壓VBR。當雷電流出現(xiàn)時，TVS兩端的電流會達到最大值，甚至脈沖電流IPP，設(shè)備兩端的電流會降到預(yù)定值最大鉗位電壓Vc以下，從而吸收大量的浪涌功率。在電力系統(tǒng)設(shè)備中，TVS與GDT在性能方面存在差異，主要體現(xiàn)在放電響應(yīng)時間上，對于GDT而言，其放電響應(yīng)時間為μs級。面對兩者之間的差異，并且TVS管通流量的限定額度較小，使用壽命有限，如果遭遇雷電次數(shù)較多以后，就會失靈，無法起到攔截雷電的作用。這需要通過使用退耦元件來調(diào)節(jié)，只有這樣才能使GDT提前到達TVS導(dǎo)通泄流，最終達到TVS與GDT能量的密切配合。

4 本質(zhì)安全型浪涌保護器的選擇

對于本質(zhì)安全型電源保護器而言，類型和型號多樣。但是對于石油化工企業(yè)而言，需要在眾多型號和類型中選取適合本企業(yè)的本質(zhì)安全型浪涌保護器。只有選取適當類型和型號，才能使本質(zhì)安全型浪涌保護器起到最佳的保護作用，最終促進電力系統(tǒng)的安全運行。在進行選擇時，需要考慮以下幾個問題:

4.1 型號

本質(zhì)安全型浪涌保護器的型號與設(shè)備的保護效果與狀態(tài)緊密相連。在石油化工企業(yè)中，不論是煉油廠、加工廠，還是燃氣、石油、管道運輸均屬于大型工程，對電力系統(tǒng)的安全級別較高。因此，在石油化工行業(yè)，選擇型號適當?shù)谋举|(zhì)安全型浪涌保護器至關(guān)重要。

本質(zhì)安全型浪涌保護器的型號類型包括:熱電阻輸入、四線制的4～20mA的信號儀表、5V DC熱電偶、24V DC兩線制等，應(yīng)該在眾多型號中選擇與本企業(yè)設(shè)備參數(shù)相匹配、符合國家儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗規(guī)格的合格產(chǎn)品。此外，還需要根據(jù)通路中的信號電流數(shù)值選取型號的等級。(例如:對于型號電流數(shù)值最大為Ic≥150mA的，需要選擇4～20mA的信號儀表；對于型號電流數(shù)值最大為:Ic≥600mA的，需要選擇供電線路直流為24V的儀表)

4.2 防護距離

在選取本質(zhì)安全型浪涌保護器時，還需要注意電力系統(tǒng)中設(shè)備之間的直線距離和該設(shè)備室外的兩個儀表之間的直線距離，因為防護距離也深刻影響電力安全保護的效果。

對于控制室和現(xiàn)場儀表而言，控制室是需要選擇導(dǎo)軌式安裝型的浪涌保護器，現(xiàn)場是需要選擇螺紋管的浪涌保護器。對于地面上的信號電纜而言，垂直距離限定在10m以上，水平距離限定在100m以上。如果距離較近，會使浪涌保護器和設(shè)備之間產(chǎn)生震蕩波，從而產(chǎn)生過電壓，不利于電力設(shè)備的保護。如果距離較遠，則起不到保護效果。

4.3 壽命

在進行本質(zhì)安全型浪涌保護器選擇時，還需要考慮的是浪涌保護器的使用壽命。因為在浪涌保護器在安裝成功的最初一瞬間會產(chǎn)生瞬態(tài)高電勢，如果選擇的型號壽命較長，以后便可繼續(xù)使用。否則，該保護器的壽命則是最初的那一瞬間。因此，在購買本質(zhì)安全型浪涌保護器之前，需要對該產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命進行評估，以便購買到質(zhì)量較好、壽命較長的浪涌保護器。

5 結(jié)束語

由于電力系統(tǒng)的安全與雷電流存在密切聯(lián)系，近年來，安全意識不斷提高，本質(zhì)安全型浪涌保護器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)。本文在對雷電流了解的基礎(chǔ)上，對本質(zhì)安全型電容保護器的設(shè)計與選擇進行分析。希望石油化工企業(yè)準確選擇浪涌保護器，最終促進石油化工行業(yè)電力系統(tǒng)的安全運行。