儀表信號防雷在沼氣工程中的應用

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儀表可能因受雷電影響，使得相應的自動控制系統出現故障，從而導致生產裝置停車，造成安全事故或經濟損失。為了更好的保障生命和財產的安全，在可能產生此類事故的區域，應考慮儀表信號的防雷措施。

儀表防雷是一個系統性的設計，包含等電位連接與接地、信號電纜的屏蔽與接地、儀表設備的屏蔽與接地、設置浪涌保護器等。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器[1]進行闡述，分析其在實際工程中的應用。

2 浪涌保護器的分類及參數

雷電對工程儀表系統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生，在一定條件下可以互相轉換。雷電流由雷直接擊打系統設備或線路產生，雷電電磁場內的線路上感應雷電浪涌，沿線路入侵設備而將設備損壞。

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

根據相關標準的定義，浪涌保護器(SPD)指用于限制瞬態過電壓和分流電涌電流，保護電氣或電子設備的器件[2]。

浪涌保護器根據其工作原理可分為三種類型：

電壓開關型在沒有瞬時過電壓時為高阻抗特性，一旦響應雷電瞬時過電壓，其阻抗就突變為低阻抗特性，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。

組合型有電壓開關型和限壓型浪涌保護器的兩種特性。

浪涌保護器根據其應用用途可分為兩種類型：

電源型應用在供配電電源線路上。

信號型應用在儀表信號線路上，包括模擬量、數字量信號等。

浪涌保護器根據其接線方式可分為兩種類型：

串聯型與被保護的設備串聯，對工作頻率為低阻抗特性，而對雷電為高阻抗特性。

并聯型與被保護的設備并聯，對工作頻率為高阻抗特性，而對雷電為低阻抗特性。浪涌保護器是目前電子設備雷電防護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，或將強雷電流泄流入地，保護設備不受沖擊。在常見的

工程儀表系統中使用的信號防雷浪涌保護器，其主要參數包括：

(1) 最大持續運行電壓Uc：浪涌保護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：電涌防護器所在線路的最大工作信號電流。

(3) 標稱放電電流In：浪涌保護器正常通過的最大電涌電流(8/20us)，是指浪涌保護器在通過8/20us標準實驗波形電流規定的實驗次數時，不損壞浪涌保護器的最大泄放電流。

(4) 響應時間：標準實驗波形電壓開始作用于浪涌保護器的時刻到浪涌保護器實際導通放電時刻之間的延遲時間。

在信號防雷浪涌保護器的選型時主要考慮以上幾個參數，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即可滿足防護要求，但實際使用中也可選擇5kA，10kA等規格；響應時間是越小越好，信號防雷浪涌保護器的響應時間一般不超過5ns。

3 信號防雷浪涌保護器的設計原則

在工程設計中，儀表防雷設計應結合工程實際所在區域及工程的特點進行詳細設計。對于沼氣工程來說，因其生產過程及產品的特殊性，存在一些需考慮電氣防爆的區域。這些區域一旦遭受雷擊，可能會引發爆炸，在設計時需多方面考慮。

以某沼氣工程厭氧罐區為例，由于罐內爆炸性氣體沼氣的存在，應根據爆炸性氣體混合物出現的頻繁程序和持續時間將爆炸性氣體環境劃分為0區、1區、2區，并配置相應的防爆設備[3]。同時，也可結合沼氣工程的相關規范中的示意圖對相關區域進行劃分，如圖1所示[4]。

1-厭氧消化器； 2-消化器基礎； 3-2區

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備包括所需的信號浪涌保護器應選用滿足2區防爆要求的設備，可選用隔爆型ExdIICT6 Gb。

對于此類有防爆要求的室外罐區，應更加注重設計儀表信號防雷，以應對突發情況。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)雷電防護等級

在進行儀表系統的防雷設計時，首先應根據工程區域的雷電活動等級(少雷區、多雷區、高雷區、強雷區)及系統對社會、經濟和安全重要程度分類(第一類、第二類、第三類)確定該區域的雷電防護等級。

該沼氣工程所在區域為多雷區，系統對社會、經濟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等級為二級。

(2)儀表防雷設計原則

儀表防雷的整體設計需同時考慮風險和投資，并結合同類項目的經驗。根據規范：

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。

考慮該沼氣工程項目的風險和業主投資情況，設置儀表系統防雷工程。

4 信號防雷浪涌保護器的應用

4.1 信號浪涌保護器的設置

該沼氣工程項目厭氧罐區域的儀表露天布置，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、質量流量計、氣動調節閥、氣動開關閥等，且信號敷設至控制室PLC機柜的距離比較遠，故選擇在現場儀表和控制室儀表兩端設置信號浪涌保護器。

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

現場側的信號浪涌保護器應滿足危險區域的防爆要求。該工程配置的信號浪涌保護器主要有以下類型：

(1) 4～20mA兩線制

此類型信號浪涌保護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器用于室外管道上的電磁流量變送器及質量流量變送器信號。

(3)電磁閥兩線制開關量

此類型信號浪涌保護器用于室外自動開關閥閥體上的24VDC電磁閥信號。

(4)限位開關兩線制

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

圖2 信號浪涌保護器的應用

4.2 信號浪涌保護器的安裝

裝配式浪涌保護器可直接安裝在現場變送器本體上，內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器無需單獨接地，可通過變送器一起現場保護接地；信號浪涌保護器的的出線經金屬管、橋架敷設至機柜室的PLC機柜內，與機柜側的信號浪涌保護器連接，再輸送至PLC信號卡件。

PLC柜內的導軌式信號浪涌保護器與柜內保護接地相連接，同時其工作接地由現場一直連接至PLC柜內，并通過機柜與儀表總工作接地連接。

現場導軌式浪涌保護器安裝在現場接線箱內，接線箱與被保護儀表應盡可能接近，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器可與接線箱、儀表在現場合并保護接地，其工作接地同樣通過電纜敷設至機柜側實現單點接地。

5 結束語

儀表系統防雷設計在整個自控系統的可靠性中占有重要地位，設計中應重視信號防雷保護器的應用，以提高項目的整體安全性和可靠性。儀表防雷設計時應結合相關規范和實際工程經驗，綜合考慮風險和投資水平，在保證安全的前提下避免浪費。