天然气集输站智能仪表防雷分析.pdf

第 5 0卷第 3期 2 0 1 4年 6月 石油化工自动化 AUTOM AT1 0N I N P ETR _ CHEM I CAL I NDUS TRY Vo l I 5 0，No ． 3 J u n ，2 0 1 4 天然气集输站智能仪表防雷分析 周建华 中原 油 田分公 司 天然 气产 销厂 ， 河南 濮 阳 4 5 7 1 6 2 摘要 智能化程度高的现场仪表普遍存在绝缘强度低、 承受过电压和过电流能力差、 易受雷击影响等特征， 容易出现通信中 断 、 数据异常、 黑屏甚至击穿设备等现象。分析 了雷击产生 的原 因及对仪表的危害形式 ， 提 出了仪表防雷的主要措施 ， 在实际应 用中起到了较好 的效果 。 关键词 自动计量F l o B o s s l 0 3 流量管理器通信协议雷击浪涌保护器 中图分类号 T U8 9 5 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 4 0 3 0 0 7 3 0 3 随着工业 自动化控制技术的发展 ， 天然气计量 向智能化 、 网络化发展。中原油田分公司天然气产 销厂在采气、 输气等站场进行了天然气计量 自动化 改造 ， 但智能化程 度高 的仪表普遍存 在绝缘强度 低 、 承受过电压和过电流能力差 的特征 ， 一旦仪表 受到直击雷侵入或其附近区域发生雷击 ， 雷电过电 压 、 过电流和脉冲 电磁场会通过 电源线 、 仪表信号 线 、 电缆槽 、 穿线管等途径到达仪表设备 ， 影响了仪 表的正常工作和安全运行， 如果防护不当轻则使仪 表设备工作失灵， 重则使仪表设备永久性损坏， 严 重时还可能造成生产事故 、 人员伤亡。因此， 天然 气集输站场 自动化仪表系统的设计必须高度重视 防雷设计 。 1 天然气流量自动计量现状 天然气流量 自动计量是通过现场仪表取得天 然气的压力、 温度、 差压、 天然气组分等参数， 通过 一 定的计算方法得到标准状况下的体积流量。天 然气 自动计量组成模式有多种， 该厂主要采用现场 智能仪表和后 台工控机、 P L C组合 的模式 ， 数据处 理 由智能仪表、 工控机或 P L C完成 ， 数据传送采用 RS 一 4 8 5总线 方式， 传送 协议根据需 要分别采 用 HAR T协议 、 R OC协议 、 Mo d b u s 协议 。智能仪表 采用多参数仪表 、 单参数仪表、 温度传感器等 ， 由于 微 电子器件采用较多 ， 使得 其受恶劣天气影 响较 大， 也是因雷击损害最多的仪表 。 2 雷击对仪表系统的危害形式 雷击从形式上可分为直击雷与感应雷击两种， 对仪表系统可能产生的危害形式划分为下列几种 1 直击雷。雷电直接击中现场仪表设备或与 之连接的管路， 通常会损坏仪表的传感器模件并且 可能损坏变送器的电子线路板。雷 电流在沿仪表 支架流人大地的过程 中， 产生强大的感应磁场 ， 能 通过信号传输线路耦合到控制室电子设备内， 损坏 电子设备。 2 感应雷击。包括静电感应和电磁脉冲辐射 两种。 a 静 电感应 。当雷云来临时 ， 地面物体 ， 尤其 是导体会聚积大量电荷产生放电， 放 电电流若进入 现场仪表和用电设备 ， 将造成设备损坏。 b 电磁脉冲辐射。雷电流在其通道周 围的空 间产生 电磁场 ， 向外辐射 电磁波 ， 耦合到控制室的 计算机、 仪表和现场仪器仪表以及各类金属导体 上， 产生感应电压或感生 电流 ， 造成设备故障或损 坏以致控制系统失灵 。 3 雷电过电压侵入 。直击雷或雷电感应都可 能使导线或金属管道产生过电压 ， 该雷电过电压沿 各种金属管道、 电缆槽 、 电缆线路可能将高 电位 引 入仪表系统， 造成干扰和破坏 。 4 反击 。防雷装置接 闪时 ， 强大 的瞬间雷 电 流通过引下线流人接地装 置 ， 由于大 地 电阻 的存 在 ， 雷 电电荷不 能快速 向大地 释放 ， 必 然会 引起 局部地 电位 上升 可 能上百 千伏 。如果仪 表控 制系统 的接地体与该 点没有足够安全距离 ， 它们 之问就会 产生放 电 ， 造 成反击 电流 ， 可直接 击穿 用电器 的绝缘部分 ， 会对仪表控制 系统产生干扰 乃 至破 坏 。 5 其他因素对仪表的危害。由于大型设备启 停 、 切投等引起 的电网波动， 所产生的电涌过 电压 是 目前电子系统最大的威胁 ， 其危害的程度高于 自 然雷击 的程度。雷电过电压 、 电涌过电压 ， 均归于 稿件收到 日期 2 0 1 3 0 9 1 7 ， 修改稿收到 日期 2 0 1 4 0 4 1 6 。 作者简介 周建华 1 9 7 O 一 ， 男 ， 毕业 于江汉石油 学院工业 自动化 仪表专业 ， 现就职于 中原 油田分 公司天然气产销厂 ， 主要从事天然 气自动计量维护工作， 任工程师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 4 石油化工 自动化 第 5 O卷 瞬态过电压 瞬态电涌电流 的范畴之 内。 3 R S一 4 8 5总线接口的抗雷击技术 在 自动化领域， 支持多节点 、 远距离 、 成本低和 接收灵敏度高的 RS 一 4 8 5总线得到了广泛 的应用 。 RS 一 4 8 5总线采用平衡发送 、 差分接收的数据收发 器来驱动总线， 具有抑制共模干扰的能力 ， 接收器 的输入灵敏度为 2 0 0 mV， 从 而成为工业应用 中数 据传输 的首选方 式。但 是在 实 际工 程 中R S 一 4 8 5 总线运用仍然存在着很多问题 ， 如阻抗不连续 、 不 支持环型或星型网络 以及共模过电压等问题 ， 影响 了工程 的质 量。R S一4 8 5收 发器 工 作 电压较 低 5 V左右 ， 其差分输入端对“ 地” 的共模 电压允许 在一7 ～1 2 V之间， 超过该范围的瞬变过压可能 损坏器件 。由于 R S 一 4 8 5总线实行长距离传输 ， 因 而极易因为雷击等原因引入过电压 ， 雷电引发的瞬 变过压往往导致传输线上 的多个 RS 一4 8 5收发器 损坏 ， 设备 无法运行 。在 有强烈 的电涌能量 出现 时 ， 甚至可以看到收发器爆裂、 线路板焦糊 的现象 ， 造成巨大的经济损失 。故 防雷措施是 RS 一 4 8 5技 术实际使用 中必须考虑的问题 ， 也是提高系统可靠 性的重要措施。引起瞬变过压的来源通常是雷电、 静电放电 、 电源系统开关干扰等 ， 例如人体 接触芯 片的引脚产生静 电放 电， 其 电压 可以高达数 十千 伏 ， 可使在工作中的器件产生闭锁而不能运行或使 器件受损 ； 而感应雷在 R S 一 4 8 5传输线上引起 的瞬 变过压干扰 ， 其能量可在瞬间烧毁连结传输线上的 全部器件。一种半导体类气体防雷管构见的两级 防雷电路 ， 可实现对 RS 一 4 8 5接 口的防雷击和过压 保护 ， 如图 1 所示 。 T R 图 1 R S 一 4 8 5总线 的两级 防护 电路 示 意 当雷击发 生时 ， 感 应 过 电压 由 T与 R端 引 入 ， G2 ， G - 3进 行共模 防护 ， Ol进行差 模保护 ， 此 时过 电压 被 大 幅削弱 到 约 5 0 0 V 左右 ， 再 经过 电阻 R1 ， R2限 流 ， TVS 1 ／ s 2二 次 限压 后 ， 到 收 发器 的电压 被 钳制 在 6 ． 8 V 左右 ， 从 而实 现对 收发器 的保 护 。 4 仪表 系统防雷的主要措施 仪表系统防雷措施是多方面的， 主要包括接 闪、 均压、 接地、 屏蔽、 分流等。这些措施必须综合 运用， 才能真正达到仪表系统的防雷 。 4 ． 1 接闪 直击雷的防护主要由建筑物的防雷装置实现 ， 现场仪表系统的防雷 ， 应和周 围的污油罐等设备的 防雷措施一起设计 。 4 ． 2均压 当雷击发生时， 在雷电瞬态电流所经过的路径 上将会产生瞬态电位升高 ， 使该路径与周 围的金属 物体之问形成 瞬态 电位差。如果这种瞬态的 电位 差超过了两者之间的绝缘耐受强度 ， 就会导致介质 的击穿放电， 该种击穿放电能直接损坏仪表设备， 也能产生电磁脉冲 ， 干扰仪表系统的正常运行。为 了消除雷电瞬态 电流路径与金属物体之间 的击穿 放 电， 可以将所有现场仪表 的所有金属外壳 、 构架 ， 生产装置的金属设备 ， 仪表控制室 内的设备 、 组件 和元件的金属外壳 、 金属设施连接在一起 ， 并且与 仪表控制室的防雷接地系统相连接， 形成完善的等 电位联结 。 4 ． 3 接地 接地主要有两种措施 浮地 、 多点接地。 1 浮地 。浮地是指仪表的工作地与建筑物的 接地系统保持绝缘 ， 这样建筑物接地系统 中的电磁 干扰就不会传导到仪表系统 中， 地电位的变化对仪 表系统也无影 响。但 由于仪表 的外壳要进行保 护 接地 ， 当雷电较强时 ， 仪表外壳与其 内部电子电路 之间可能 出现很高 的电压 ， 将两者之间绝缘间隙击 穿 ， 造成电子线路损坏 。 2 多点接地。多点接地是指仪表、 P I c等设 备的工作接地与保护接地分开 ， 这种接地方式 的突 出优点是可以就近接地 ， 接地线的寄生电感小 。但 是如果较强的雷电波通过保护地进入系统 ， 电子电 路 同样会 因承受高压而损坏。 由于以上两种接地方式都不能满足 防雷的需 要 ， 因而可以考虑将保护地与工作地相 连接 ， 并且 接人防雷接地系统。 4 ． 4 屏蔽 石油化工仪表系统大量采用半导体器件 、 集成 电路和传递信号的电缆， 由雷击产生的瞬态电磁脉 冲可以直接辐射到这些元器件上， 也可以在电源或 信号线上感应出瞬态过电压波， 沿线路侵入电子设 备 ， 使电子设备工作失灵或损坏。利用屏蔽体来阻 挡或衰减电磁脉冲的能量传播是一种有效 的防护 措施。仪表系统的防雷屏蔽主要包括三个方面 控制室屏蔽、 现场仪表屏蔽、 信号线和电源线屏蔽。 1 控制室屏蔽 。控制室内的控制系统是仪表 系统的核心， 对雷电产生的电磁脉冲十分敏感， 需 要特别注意其屏蔽问题 。将房屋 墙壁 中的结构钢 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 周建华． 天然气集输站智能仪表防雷分析 筋交点处电气连接 ， 并与金属门框焊接 ， 构成一个 带 门开 口的屏蔽笼， 在室内沿墙壁 四周再做一圈保 护接地环 ， 接地环与屏蔽笼进行有效的电气联结 。 2 现场仪表屏蔽。现场仪表可采用金属的仪 表箱 罩 实现防雷屏蔽， 仪表箱 罩 要与其他现场 的金属 设施 实 现等 电位联 结 ， 并 接人 防雷 接地 系统。 3 信号线和电源线屏蔽 。为 了防止雷电电磁 脉冲在信号或 电源线路上感应出瞬态过 电压波 ， 所 有的信号线及低压电源线都应采用有金属屏蔽层 的电缆 。就瞬态过压防护而言， 需要信号线或电源 线的屏蔽层沿线路多点接地或至少应在线路的首 、 末两端接地。当采用多点接地后 ， 各接地点之间的 屏蔽层沿线路之间形成 回路 ， 低频干扰电流的电磁 场可能会有一部分透过屏蔽层， 在 电缆的芯护套回 路产生低频干扰 ， 这就要求屏蔽层沿线路只能采取 单点接地。为 了防止 由多点接地所产生 的低频干 扰出现 ， 可将电缆穿入金属管 内或采用双屏蔽 电 缆 ， 将金属管或双屏蔽电缆的外屏蔽层采取多点接 地 ， 金属管内或双屏蔽电缆的内屏蔽层可 以采用一 端接地 ， 这样既保证安全 ， 又有利于抑制低频干扰 。 4 ． 5 分流 分流是防雷的有效措施， 就是在仪表系统的信 号或通信回路以及仪表的电源部分采用电涌保护 器 S P D ， 用以限制瞬态电压和分走 电涌 电流 。 5 结束语 该厂所在地每年 5 ～7月份时常有雷雨天气发 生 ， 由于雷击事件具有随机性 ， 且放电时间极短 微 秒级 ， 在未做仪表防雷措施 以前 ， 每次打雷都会有 部分仪表出现无法通信或无显示。 原 因分析配 电线路 因雷击跳 闸产生的电涌 过电压造成共模电压超过 一7 ～1 2 V 使得 C P U 板中R s 一 4 8 5 通信器件损害； 雷击产生的雷击过电 压超过共模 电压可承受范围 一7 ～1 2 V 。 针对以上情况， 在该站进行了自动化计量仪表 系统防雷改造 ， 加装 了接闪杆 防护直击雷 ； 将仪表 间内的设备、 电缆槽 、 构架、 电缆金属外皮接到防感 应雷的接地装置上； 对设备进行等 电位联结； 在电 源总配电箱加装电涌保护器 ； 通信线路采用双屏蔽 电缆并全线穿管屏蔽防止雷电电涌入侵 ； 在室外仪 表接线箱 内加装直 流电源 电涌保护器和 R S一 4 8 5 信号电涌保护器。经过以上改造 ， 截至 目前该站暂 无 因雷击造成的仪表损害。 参考文献 [1] 林维勇 ， 黄友 根 ， 焦 兴学 ， 等． GB 5 0 0 5 7 -- 2 0 1 0建筑 物 防雷 设计规范 [ S ] ． 北京 中国建设 出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 2 ] 张同兴， 毛仲德， 颜祖清． O B 5 0 0 9 3 2 0 0 2自动化仪表工程 施工及验收规范[ s ] ． 北京 中国计划 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 徐华， 丁杰， 王厚余． 等电位联结安装[ M] ． 北京中国计划 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 4] 刘裕城 ， 陈少川 ， 陈健儿 ， 等． GB ／ T 3 4 8 2 --2 0 0 8电子设备 雷 击实验方法[ S ] ． 北京 中国标准出版社 ， 2 0 0 8 ． [5] 刘江 ， 曾雁 鸿 ， 裴 晓波 ， 等． GB 1 4 0 5 0 -- 2 0 0 8系统 接地 的型 式及安全技术要求E s ] ． 北京 中国 计划出版社 ， 2 0 0 9 ． [6 ] 陈世刚 ， 刘建鹏 ， 蔡华强． G B ／ T 1 7 6 2 6 ． 5 2 o o 8电磁 兼容试 验 和测量技术 电涌 冲击 抗扰度 试验 E s ] ． 北京 中国标准 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 7 ] 李杰训， 娄玉华， 杨春明， 等． G B 5 0 3 5 0 --2 0 0 5油气集输设 计规范 [ s ] ． 北京 中国计划出版社， 2 0 0 5 ． [ 8 ] 叶向东， 徐义亨， 欧清礼， 等． S H／ T 3 1 6 4 2 O 1 2 石油化工仪 表 系统 防 雷 工 程 设 计 规 范 [ S] ． 北 京 中 国 石 化 出 版 社 ， 2 0 1 3 ． [ 9 ] 潘忠林． 现代防雷技术E M] ． 北京 电子工业出版社， 1 9 9 7 ． [ 1 O ] 苏邦礼． 雷 电与 避雷工程 [ M] ． 中山中山大学 出版 社 ， I 9 9 8 ． 上接 第 4 0页 3 连续输油可大幅降低岗位员工劳动强度， 实现安全平稳输油 ， 同时 ， 为下游三相分离器、 沉降 罐的平稳运行创造了条件 ， 可在具备条件 的站点规 模推广应用。 参考文献 [ 1 ] 王甜， 刘健， 刘开周． 自 适应模糊 P I D控制在 A u V控制中的 应用_ J ] ． 微计算机信息， 2 0 0 8 ， 2 4 O 3 4 6 ， 8 1 ． [ 2 ] 胡敏． 深入浅出西门子 s 7 2 0 0 P L C E M] ． 北京 北京航空航 天大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 孙平． 可编程控制器原理及应用E M] ． 北京 高等教育出版 社。 2 O 1 2 ． [ 4 ] 宋伯生． P L C编程实用指南 [ M] ． 北京机械工业 出版 社 ， 2 0 0 7 ． [ 5] 廖 常初． P L C 应 用技 术 问答 [ M] ． 北 京 机 械 工 业 出版 社 ， 2 0 0 6 ． [6 ] 郑 宝林． 图解 欧姆 龙 P L C入 门[ M] ． 北京 机 械工 业 出版 社 ， 2 0 0 8 ． [7] 陈建 明． 电气 控制 与 P L C应 用 [ M] ． 北京 电子 工业 出 版 社 ， 2 0 0 6 ． [ 8 ] 霍罡， 樊晓兵． 欧姆龙 C P 1 HP L C应用基础与编程实践[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 8 ． [ 9 ] 吴忠智， 吴加林． 变频器原理及应用指南[ M] ． 北京中国电 力 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 1 O ] 吴斌． 大功率变频器及交流传动[ M] ． 卫三民， 苏位峰， 译． 北 京 机械工业出版 ， 2 0 0 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m