電涌保護器在水廠控制系統的防雷應用探討

滕大祝，王林

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

隨著石油化工產業的資源整合，規模大、控制點數多的裝置越來越多。可編程控制器(PLC)系統及現場設備集成度越來越高，體現在節約柜體空間，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。在強雷電頻繁發生的場合，信號回路、電源回路中由于直擊雷或感應雷所造成的干擾，對電源、電流/電壓、開關量、通信等卡件端口造成很大影響[1-2]。因此，在現場至控制室之間的傳輸線纜兩端設置電涌保護器(SPD)，保護PLC,DCS,SIS等系統卡件及現場設備變得尤為重要。

1 雷電波形分類及危害

雷電被分為直擊雷和感應雷。直擊雷直接破壞建筑物、輸電網、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。感應雷是由雷電產生的雷電電磁脈沖，以電磁感應和靜電感應的作用，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切換時產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，短路電流函數描述為：

(1)

式中：A——常數；Ip——峰值電流；τ——時間常數；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，開路電壓指數函數描述為

(2)

式中：Up——峰值電壓；τ1，τ2——時間常數。

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，對電氣設備及信號設備造成短暫甚至永久性的損壞，影響設備的穩定運行，造成信號傳輸丟失等危害。

2 電涌保護器分類及參數

SPD是保護電氣/電子設備的器件，是用于雷擊或高壓開關引起的瞬態電涌的保護設備。在被保護設備前設置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主要分為電壓開關型和限壓型。電壓開關型SPD在沒有電涌時，呈現高阻狀態，在電涌發生時，其由高阻變低阻，泄放大電流，將被保護設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在沒有電涌狀態下呈現高阻，當電涌增加時阻抗持續變小，由壓敏電阻、瞬態抑制二極管組成。最終電涌結束之后，該非線性元件又自恢復成高阻狀態(即開路狀態)，并連在回路之中，不影響信號的正常傳輸。

在電源供電系統或信號回路系統中，SPD需要具備如下要求[5]：

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

2)標稱放電電流。設置標準試驗波形電流和規定實驗次數時，SPD不損壞的最大電涌電流。

3)電壓保護水平。通過標準試驗波形，泄放電涌電流時，在SPD輸出端呈現的最大安全電壓值。

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

依據雷電保護區域劃分，有LPZ0A，LPZ0B，LPZ1，LPZn等防雷區，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設置在電源總配電回路中，泄放直擊雷所產生的巨大能量；當Ⅰ類防雷產品泄放完大部分雷電流之后，需要Ⅱ類SPD持續泄放Ⅰ類所殘留的雷擊電流；在終端信號、通信接口等處設置Ⅲ類SPD進行防護，將殘壓值降到最低，不同系統回路中的設備，SPD電壓保護水平要求見表1所列[6-7]。

表1 不同設備的SPD電壓保護水平分布

3 可編程控制器系統失效事故分析及改善方案

3.1 控制系統失效分析

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

進一步分析卡件底板及卡件故障原因，發現純氧生化單元控制系統失效前，發生了強雷電天氣，直擊雷通過電源線引入，演變成二次感應雷擊，損壞了控制系統工作電源的電子單元，研究發現集成接口底板電源處端口電容及壓敏電阻等電子器件發生短路，導致底板無法正常配電工作，使得系統工作異常，造成單元控制系統失效。事故排查小組在現場分析中發現，在控制系統AI端口設置部分5 kA信號SPD進行信號防護；而在控制系統的220 V(AC)電源輸入以及24 V(DC)電源輸入端，則未設置SPD，導致電源輸入部分擊穿損壞，由于信號回路設置了SPD，否則二次感應雷擊將造成更多設備的損壞[8-9]。

3.2 控制系統防雷設計方案

綜合防雷系統是由內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；內部防雷主要采取安裝SPD、合理布線、等電位連接、屏蔽等措施，外部防雷和內部防雷共用接地系統，如圖2所示。

圖2 綜合防雷系統示意

現場動力線或信號線進入控制系統，在線路總配電柜應設置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，區域為LPZ0A，或LPZ0B與LPZ1交界處；在分配電柜及后續配電柜防護區域中，設置Ⅱ類(≥40 kA,8/20 μs)或Ⅲ類(≥5 kA, 8/20 μs)SPD進行保護；特別是電子通信及控制信號設備的電源端口需設置Ⅲ類SPD進行保護。

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

圖3 控制系統防雷方案設計示意

在控制系統機柜的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進行保護。SPD選擇原則為： 具有熱插拔功能，帶失效指示及遠程功能，可有效防止后期SPD損壞,以及無法判別的現象發生。將失效干接點信號作為開關量信號，輸入PLC進行平臺報警設計，既解決電涌沖擊干擾問題，又可實現很好的器件失效監控功能。信號SPD則依據SH/T 3164—2012《石油化工儀表防雷設計規范》建議： 當線纜鋪設長度，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、三線制變送器現場端、電氣閥門定位器、信號數據通信等設置現場信號SPD，控制室一側信號SPD，該次改造選擇了10 kA高浪涌沖擊能力產品，通過對控制系統的電源回路和信號回路的電涌雷擊設計方案改造，從而達到合理保護的作用[10]。

當工業控制系統及儀表的電源和信號線從室外架空引入室內后，需要配置SPD，其接地應直接或通過機柜的保護接地匯流排接到機柜下方的網型結構接地排[10]。室內安裝的單臺儀表的接地線徑為1.0～2.5 mm2，現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。

在現場側進行電涌防護時，需要將被保護現場儀表金屬設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體、線纜應盡可能短，并采用直線路徑鋪設，如圖4所示。現場儀表金屬外殼可通過接地螺釘與金屬安裝支架相連，或通過金屬設備、容器等設備接地。

圖4 SPD接地連接示意

4 結束語

綜上所述，石油化工行業控制系統的雷電防護非常重要，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、分區域保護提供了案例，給出具體的SPD的定義及電氣參數，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，增加了電涌防護器，進一步提升控制系統回路中關于現場設備和卡件等設備抗干擾能力，同時通過合理的接地，實現可靠的雷擊抗干擾設計。