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第 5 O卷第 6期 2 0 1 4年 1 2 月 石油化工自动化 AUTOMAT1 0N I N PE TR0一 CHEMI CAL I NDUS TRY Vo 1 ． 5 0。No ． 6 De c e mb e r ，2 0 1 4 电涌防护器在石油化工装置 中的应用 杨永鹏 ， 何联合 华陆工程科技有限责任公司， 西安 7 1 0 0 6 5 摘要 针对自动化仪表系统易遭受雷击的问题， 仪表系统防雷工程的概念已引入仪表设计中。介绍了电涌防护器的概念、 分 类 、 主要参数和选型； 阐述了不同信号类型电涌防护器的设置原则及其安装和接线形式； 说明了电涌防护器的接地方法； 结合具 体 工程实例介绍 了电涌防护器在石油化工装置 中的具体应用 。 关键词 仪表系统防雷工程电涌防护器安装接线接地 中图分类号 T H 8 9 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 4 0 6 0 0 7 8 0 4 随着化工装置 向着 大型化、 一体 化的方 向转 变 ， 连续 、 安全 、 可靠的运行成为化工控制最基本的 要求 。近年来 ， 由于 自动化仪表系统遭受雷击或雷 电电磁脉 冲干扰造成装置 、 机组停运 的情况屡有发 生 ， 防雷问题已经引起了有关方面的关注。笔者参 与了珠海某石油化工项 目的仪表防雷设计工作 ， 在 项 目报批过程 中， 就仪表防雷问题与当地有关部门 沟通过多次。期间， 笔者查阅了多个相关规范 ， 对 防雷部门的要求进行了合理优化， 最终该工程顺利 通过了防雷审批。通过该项 目， 笔者对 自控防雷设 计及相关规范有 了较深刻 的认识。文 中仅对 自控 防雷工程 中的一个重点 电涌 防护器应 用的相 关 内容进行描述 ， 希望对 自控设计人员在 电涌防护 器的应用方面有所帮助 。 1 电涌防护器的概念及分类 按照 S H／ T 3 1 6 4 --2 0 1 2 石 油化 工仪表系统 防雷工程设计规范 ， 电涌防护器 S P D 也 可称 为 雷电浪涌防护器或浪涌防护器 ， I E C的定义为“ 用 作限制瞬态过电压和泄放 电涌 冲击 电流的装置 ， 它至少应该包括一个非线性的元件” 。 1 按工作原理 ，S P D可 以分为 电压开关型 、 限压型及组合型 3种。 a 电压开关型 S P D。在没有瞬时过电压时呈 现高阻抗 ， 一旦响应雷 电瞬时过 电压 ， 其阻抗就突 变为低阻抗 ， 允许雷电流通过 ， 也被称为“ 短路开关 型 S P D” 。 b 限压型 S P D。当没有瞬时过 电压时为高阻 抗， 但随电涌电流和电压的增加， 其阻抗会不断减 小， 其电流电压特性为强烈非线性， 有时被称为“ 钳 压型 S P D ” 。 C 组合型 S P D。由电压开关型组件和限压型 组件组合而成 ， 可以显示为电压开关型或限压型或 两者兼有的特性 ， 这取决于所加电压的特性 。 2 按接线方式 ， S P D可分为分流型和扼流型。 a 分流型 S P D。与被保 护的设备并联 ， 对雷 电脉冲呈现为低阻抗 ， 而对正常工作频率呈现为高 阻抗 。 b 扼流型 S P D 。与被保护的设备串联， 对雷 电脉冲呈现为高阻抗 ， 而对正常的工作频率呈现为 低阻抗 。 3 按用途分类 ， S P D可 以分为 电源线路型和 信号线路型 2 种。电源线路型 S P D指安装在供配 电线路上 的 S P D， 这也是传 统 S P D的主要用途 。 信号线路型是近些年新推出的， 专用在仪表信号等 弱电信号回路中。除特殊说明外， 本文着重介绍自 控专业常用的信号线路型。 2 S P D的主要参数及选型 2 ． 1 主要参数 1 标称放电电流 是指 S P D不损坏的最大 电涌电流 ，即 S P D在通过标准实验波形 电流 规 定为 8 ／ 2 0 s 电流波 和规定实验次数时， 电涌电 流的最大泄放能力。I E C规定 常见 的 I 值有 0 ． 05， 0 ．1 0， 0 ．2 5， 0 ．5 0，1 ．O 0， 1 ．5 0，2 ．0 0， 2 ．5 O， 3 ． 5 0， 1 0， 1 5 ， 2 0 k A。 2 最大放 电电流 又称为最大通流量 ， 指 使用 8 ／ 2 0 s电流波冲击 ， S P D能承受的最大放 电 电流 。 3 最大信号电流 。 指 S P D所在线路的最大 工作信号电流 。对于两线制、 三线制 、 四线制的4 ～ 2 0 m A信号的仪表， I ≥ 1 5 0 m A。 对于 2 4 V D C 供电路线， 如电磁阀、 超声波仪表、 可燃气体检测器 稿件收到 日期 2 0 1 4 0 7 一 l 1 。 作者简介 杨永鹏 1 9 8 2 一 ， 男 ， 2 0 0 4年毕业 于武汉化工学 院过 程 控制自动化专业， 现就职于华陆工程科技有限责任公司， 主要从事 化工行业的 自控和仪 表设计工作 ， 任工程师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 杨永鹏等．电涌防护器在石油化工装置中的应用 7 9 等仪表， J 。 ≥ 6 0 0 mA。 4 残流 I 对 S P D不带负荷 ， 施加最大持续 工作电压 【 ，， 。 时， 流过接地端子的电流。 5 最大持续运行 电压 指允许持 续加在 S P D的最大 电压 交流 电压有效值或直流 电压 ， 也称最大工作 电压 。 6 残压 U 指在 流过时， S P D端子电压 的峰值。U 是确定 S P D的过电压保 护水平 的重 要参数。 7 限制 电压 即最大残压值 ， 对同一 S P D， 其 正向和反 向的残压值 可能不相 同， 以其最大值作为 其限制电压。 8 保护 电压 U。 表征 S P D限制接线端子问 的电压特性参数 ， 其值可从样本列表 中选取 ， 应大 于限制电压的最高值 。S P D的实际限制 电压值 都 不应大于这个规定的保护水平。 9 插入损耗 Ae 在给定频率下 S P D安装前 后的电压 比率 ， 一般来说， Ae 越小 ， 信号衰减越慢 。 在选择信号 S P D时， 应选用 Ae 较小 的 S P D 要求 A ≤0 ． 3 d B ，≤0 ． 5 d B或≤3 d B 。 1 0 响 应 时 间从 暂态 过 电压 开始 作 用 于 S P D的时间到 S P D实际导通放电时刻之间的延迟 时间 ， 称为 S P D的响应 时间， 其值越小越好 ， 通常 限压型 S P D响应时间短于开关 S P D。 2 ． 2 选型 在 S P D选型前， 需要明确 1 0 ／ 3 5 0 s 波形是 模拟直击雷的波形， 波形能量大 ； 8 ／ 2 0 s 波形是模 拟雷电感应和雷 电传导的波形 。信号 回路 S P D实 验的模拟波形均为 8 ／ 2 0 s 波； 电压开关型 S P D主 要泄放 的是 l O ／ 3 5 o s 电流波 ， 限压型 S P D主要泄 放 的是 8 ／ 2 0 s电流波 。 S P D选型时主要考虑 的参数 有 L， Uc ， u 和 响应时间等 ， I ， U 和 U 越大越好 ， 但过分放大会 导致过度防护 ， 造成用户成本的上升 。一般来说 ， J 大于 1 k A 即可满足防护要求 ， 但可选择 5 k A， 1 0 k A等规格 也可 自行从 I E C推荐数值中选择 ； U 的值应大于被保护设备的正常工作电压或供 电 线路电压波动的最大值 ， 对 2 4 V D C 供电的仪表 ， 一 般为 3 0 V D C 。对 2 4 V D C 供电的仪表 ， U。 一般是工作电压的 2 ～2 ． 5倍 ， 即为 4 8 ～6 O V D C ； 对交流供电仪表 ， 一般取正常工作 电压 的 2 ～2 ． 5倍 ， 并应该小于被保护设备耐压水平 的 8 O ； 响应时 间一般是 越小越好 ， 典 型值 为 1 0 ～ 1 0 0 ns 。 S P D有多种 类型 ， 以匹配不 同的信 号。对供 电电压为 2 4 V D C 的两线制、 三线制 、 四线制 的 4 ～2 O mA信号仪表 ， 其 回路直流 电源属于信号供 电， 应配备信号类型的 S P D； 四线制直流供电电源 属于直流电源类 型， 应配备直流电源类型的 S P D； 对于 2 2 0 V AC 供电仪表 ， 除配备 4 ～2 0 mA信号 线路型 S P D外 ， 还应该配电源线路型 S P D。 另外 ， 在 S P D选型时应该注意 ， 安装在现场侧 的 S P D应该满足对应危险区域的防爆认证。用于 爆炸危险环境一 区的 S P D， 应 通过 国家或 国际测 试机构 ， 取得相关危险区域的本质安全认证证书 ， 该认证仅涉及 S P D为本质安全仪 表； 用于爆炸 危 险二区的 S P D， 应取得相关的隔爆认证证 书。 3 S P D的设置、 安装及接线 防雷工程 的设计应根据 目标的具体情况 ， 综合 考虑雷击事件的风险和投资条件 ， 确定合适的防护 范围和 目标 ， 采用适宜的防护方案 ， 经济有效地防 护和减少仪表系统雷击事故的损失 。设计 中一般 遵循文献[ 1 3 的要求 防雷等级为一级的区域和控 制室应实施仪表系统防雷工程； 防雷等级为二级的 区域和控制室宜实施仪表系统防雷工程 ； 防雷等级 为三级的区域和控制室可实施仪表系统防雷工程 。 3 ． 1 S P D的设置原则 3 ． 1 ． 1 现场仪表侧 S P D的设置原则 1 当信号电缆在地面以上敷设的水平直线距 离大于 1 0 0 m或垂直距离大于 l O m 时， 现场仪表 和中 心 控 制 室 或 现 场 机 柜 间 仪 表 两 侧 宜 设 置 S P D。 2 安 全 仪 表 系 统 的 现 场仪 表 侧 应 该 设 置 S P D。但连人安全仪表系统的现场触点开关和来 自配电室的信号侧可不设置 S P D。 3 变送器现场侧应设置 S P D。变送器包括温 度变送器、 压力变送器、 流位变送器和阀位变送 器等。 4 电气转换器、 电气阀门定位器、 电磁 阀等现 场电信号执行器类仪 表侧应设置 S P D。另外 ， 限 位开关是否设置 S P D应该根据开关的形式 电子 开关 ， 触点开关 确定 。 5 热 电阻现场端应设置 S P D。 6 电子开关现场端应设 S P D。电子开关指所 有具有 S P D T或 D P DT输 出的开关 非机械式 ， 如液位开关 、 压力开关、 n a mu r式或接近式 的限位 开关等。 7 热电偶现场端可不设置 S P D。 8 触点开关现场端不应设置 S P D。触点开关 主要是指机械式的限位开关 ， 如 电接点压力表 ， 电 接点温度计等。 9 配电间及电气控制室来的机泵信号可不设 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 0 石油化工 自动化 第 5 O卷 置 S P D。如果配电间或电气控制室到 中心控制室 现场机柜间 的距离超过 1 0 0 m， 则应在中心控制 室 现场机柜间 侧设置 S P D。 3 ． 1 ． 2 中心控制室 现场机柜间 侧 S P D的设置 原则 按文献E 1 3 的要求 ， 仪表系统 的同一信号线 路 端 ， 只设一级 S P D。如果现场仪表侧设置 了 S P D， 则 中心控制室 现场机柜间 侧也应设置 S P D。如 果现场仪表侧未设 置 S P D， 但从现场仪表 到中心 控制室 现场机柜间 的水平距离超过 1 0 0 m， 则在 中心控制室 现场机柜间 侧应设置 S P D。 3 ． 1 ． 3 现场总线系统 S P D的设置原则 对现场总线 系统 ， 在设置 S P D时要 明确 以下 几点 1 当现场分支线路 指从现场仪表到现场总 线接线盒之间的线路 在地面以上敷设 的水平直线 距离大于 1 0 0 m或垂直距离大于 1 0 m时 ， 应在总 线两端的现场总线仪表和设备 指现场总 线接线 盒 间设置 S P D。 2 现场总线干线连接着主控制器的总线接 口 卡 H1 卡 和现场的总线分支设备 ， 总线干线两端 包括延伸段 ， 应该设置 S P D。 3 如果现场总线分支模块是不带电子电路 的 简单连接， 可以不设分支模块端的S P D， 但当现场 分支 电缆在 地面 以上敷设 的水 平直线 距离 大 于 1 0 0 m或垂直距 离大于 1 0 m 时， 应 在分支模块端 设置 S P D。 4 对于现场总线分支模块是带 电子电路的智 能分支模块， 如果现场仪表侧设置了 S P D ， 分支模 块端也应设置 S P D。 现场总线系统中， 常规的通用 S P D不适用 于 现场总线系统 ， 除非产品标明适用于现场总线 。现 场仪表侧 S P D的设置可参考本文 3 ． 1 _ 1 进行。 3 ． 1 ． 4 通信设备 S P D的设置 如果工艺装置现场有成套设备的控制系统 ， 并 与控制室进行通信， 在通信线路两端应设置相应信 号类型的 S P D。如果采用光纤通信， 光纤两端可 不设置 S P D。 3 ． 2 S P D的安装及接线 3 ． 2 ． 1 现场仪表侧 S P D的安装及接线 一 般来说， S P D的输 出端应与被保护设备 的电 气接口直接相连， 尽可能减少从 S P D到被保护设备 的距离， 现场侧的 S P D有 串联和并联之分， 如果采 用串联方式， S P D的输出端接现场仪表侧， 输人端去 控制室， 此时， S P D采用通用型 ， 安装在专用的保护 箱中。文献[ 1 ] 要求并联安装的S P D的输出端至现 场仪表间的导线总长度不大 于 0 ． 5 m， 串联安装的 S P D到现场仪表之间的导线长度不大于 5 m。 3 ． 2 ． 2 中心控制室 现场机柜 间 侧 S P D 的安装 及接线 中心控制室或现场机柜间侧的 S P D均串联在 回路中 ， 并且其输入端应接现场侧 的信号 ， 输 出端 接控制 系统 的 I O卡柜。S P D应该安装在单独 的 机柜 中或独立的导轨上 。 1 对非本安 系统 ， S P D可利用单独的导轨直 接安装在机柜中， 其输出信号直接去系统 I O卡 件。现场来 的电缆直接接至 S P D的输入端 ， 电缆 的屏蔽层可以直接接至机柜的工作接地汇流板上 。 2 对本质安全系统 ， S P D不是本质安全系统 的安全栅， 二者不能相互代替。设置有 S P D的电 路在不受雷 电电涌影 响时 ， 电路 应该是本质安全 的。即对本安系统， S P D 的设 置不应破坏原有线 路的本安特性 ， 设计完成后如有必要 ， 可 以对整个 回路进行本安 回路计算验证 。 3 本质安全系统的 S P D安装时 ， S P D和安全 栅 B R 可以分开装在不 同的机柜 中， 也可以混装 在 同一面机柜中， 但应该安装在独立的导轨上。 3 ． 2 ． 3 现场总线系统 S P D的安装及接线 现场总线系统 S P D的安装可分为两部分 现 场仪表侧部分和现场接线盒及控制系统。现场仪 表部分 S P D的安装可参考本 文 3 ． 2 ． 1条 ； 现场接 线盒及控制机柜部分 S P D的安装 ， 按 目前的惯例 ， 均由 D C S成套 ， S P D均采用独立的导轨安装方式。 应当注意的是， 在现场总线接线合内安装的 S P D， 应该满足对应危险区域的防爆认证 。 主控制器 总线接 口卡处和智能分支模块处的 S P D均串联在电路中。 3 ． 3 S P D的接地 S P D的接地基本原理如图 1 所示。 电涌防护 器 被保护设备 图 1 S P D接地 示 意 当被保护设备设 置 S P D后 ， 被保护设备 的保 护接地应和 S P D的接地线 良好连接， 并接地， S P D 的接地连线应为截面积 2 ． 5 n l r n 2 的多股绞合绝缘 铜线。现场仪表侧 的接地连接导线截面积为 4 ～ 6 mm。 ， 该接地线就近接至电气的防雷接地 网上 。 对现场总线接线箱 内的 S P D， 可通过 S P D的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 杨永鹏等．电涌防护器在石油化工装置中的应用 8 l 接地端子或安装导轨与接线箱 的保 护接地端子相 连 ， 并把接线箱的保护接地就近接到电气的防雷接 地 网上来实现。 控制室侧 S P D的接地 ， 可 以通过安装导轨和 机柜的保护接地汇流排直接连接来实现， 电缆截面 积为 4 ～6 mm 。对大型控制室 ， 有多个 S P D机柜 的情况下 ， 从机柜保护接地汇流排到保护接地排 的 间距不宜大于 0 ． 5 1 T I ， 最大间距不宜大于 3 m 接地 电缆截面积为 6 ～1 6 1 T i m2 ， 可以采用分组接地排 的模式来实现。 4 结束语 该项 目于 2 0 1 3年 6月开车并投产 ， 稳定运行 一 年多来 ， 取得 了可观的经济效益和社会效益 ， 充 分证明了仪表防雷设计是相对成功的。 仪表 防雷设计是近年石油化工项 目出现的一 个较新的内容 ， 越来越多的石油化工项 目在消防报 批时都会涉及防雷设计 ， 作为一名 自控工程技术人 员 ， 有必要熟悉仪表防雷设计规范并进行合理的防 雷设计。设置 S P D是仪表防雷工程各项工作中的 重中之重， 但不能取代仪表防雷工程的其他内容。 合理正确地设置 S P D， 使之既能符合规范要求 ， 又 要防止过度防护 ， 造成浪费。 参 考文献 [ 1 ] 叶向东， 徐义亨， 欧清礼， 等． S H ／ T 3 1 6 4 --2 0 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 ． [ 2 ] 叶向东． 石油化工仪表系统防雷工程设计 I [ J ] ． 石油化工 自动化 ， 2 0 0 8 ， 4 4 0 2 卜 9 ． [ 3] 叶 向东． 石油化工仪表系统防雷工程设计 I I E J ] ． 石油化 工 自动化 ，2 0 0 8 ， 4 4 O 3 9 一 l 3 ． [ 4 ] 王德言， 李雪佩．G B 5 0 3 4 3 --2 0 1 2建筑物电子信息系统防 雷规范E s ] ． j E 京 中国建 筑工业 出版社 ， 2 0 1 2 ． [ 5 ] 姚薇， 李明军． 油罐区综合防雷技术应用设计[ J ] ． 石油化工 自动化 ， 2 0 1 2 ， 4 8 0 2 2 0 2 3 ． [ 6 ] 徐义亨． 工程中电磁干扰的分类及其抑制途径[ J ] ． 石油化 工 自动化 ， 2 0 0 7 ， 4 3 O 6 4 7 ． [ 7 ] 刘全桢， 刘宝全， 孙立富． G B 1 5 5 9 9 --2 0 0 9石油与石油设施 雷电安全规范[ S ] ． 北京 中国标准出版社， 2 0 0 9 ． [8] 李桢．自动 化仪 表系统 防雷 的探讨 E J ] ． 石油 化工 自动 化 ， 2 0 08 ， 4 4 0 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