雷电引起雷达液位计屡烧保险问题的分析

王成林，林兴华

（中国石油化工股份有限公司 广州分公司，广州510726）

广州平均雷暴日超过73.1d／a，属强雷区［1］。广州某石化企业炼油罐区位于空旷、开阔区域，炼油罐区仪表经常受到雷击损坏，是企业雷电灾害的重灾区。因此，该企业从2008年按雷电防护相关规范和标准重新设计并实施了仪表雷电防护措施，使得罐区仪表受雷击损坏的问题基本得到解决，但还存在炼油罐区雷达液位计供电回路受雷电影响屡烧保险的问题，造成液位测量失灵的事件发生，影响了操作人员对液位的监控。

1 问题分析

1.1 罐区雷达液位计回路配置

罐区雷达液位计回路如图1所示，雷达液位计采用四线制，包括1对24V直流供电电源线和1对信号线。24V直流电源经过1A保险管后送到现场，供电和信号线路的两端都安装了SPD。

1.2 罐区雷达液位计受雷电影响情况

炼油罐区雷达液位计受雷电影响烧保险导致雷达液位计失电、无显示，更换保险管后雷达液位计能恢复正常。2011—2013年共有6个罐区66台次的雷达液位计受到影响。

1.3 问题分析

1.3.1 仪表雷电防护措施检查

仪表雷电防护措施包括接闪器、引下线、接地装置、屏蔽、等电位联结与接地、合理布线、配备电涌保护器（SPD）等［2－4］。首先检查仪表雷电防护措施是否适当配置。检查结果表明：罐区利用大于4mm厚度的罐体作为接闪器，罐体与地网的接地点不少于2处，引下线的间距不大于18m［5］；引下线、接地装置状况良好；通过接地良好的镀锌管实现对仪表电缆的保护；现场和控制室设备共用接地系统，实现等电位联结和接地；仪表线路布置合理；现场和控制室两端仪表已配置SPD。从检查结果看，仪表雷电防护措施配置齐全，为此对存在的问题还需要作更深入的分析研究。

图1 罐区雷达液位计回路示意

1.3.2 保险管的熔断条件

保险管的动作是靠熔断体的熔断来实现的，当电流较大时，熔断体熔断所需的时间较短，而电流较小时，熔断体熔断所需的时间较长，甚至不会熔断。文献［6］对5mm×20mm低分断能力延时动作熔断体动作电流与动作时间之间的关系作了相应的规定：预飞弧时间应在下列限值范围内，见表1所列。

表1 预飞弧时间（熔断时间）

1.3.3 模拟试验

雷击时出现烧保险而不损坏仪表设备的情况说明经过SPD处理后的干扰电压受到限制，但电流还是超过In并持续足够长的时间，导致保险管熔断。为了查清屡烧保险的原因，按图2搭建了一个模拟实际使用环境的测试系统，对在用SPD测试件线对地之间施加3kA（8／20μs波形）模拟雷电流冲击。

图2 模拟实际使用环境的测试系统示意

检测项目包括：测量残压（A，B处，测量时直流电源不接入）；测量保险管两端压降（C，D处）及压降持续时间；检查保险管是否熔断。

测试结果：SPD残压为43V，符合要求；测量保险管两端压降为344mV，冲击后保险管上的压降一直持续了32ms，直至保险管熔断。测试共使用了5个保险管，其中4个保险管在第1次冲击后熔断，另外1个保险管在第4次冲击后熔断。

1.3.4 模拟试验结果分析

SPD的作用是泄流和限压［7］。残压符合要求说明SPD起到了泄流和限制过电压的作用。保险管两端压降为344mV，远超出了标准给出的150mV的最大压降指标，说明流经保险管的电流远远超出其额定电流。从表1可知，在10In的条件下，熔断体熔断时间在20～300ms。根据冲击后保险管上的压降仍持续了32ms直至保险管熔断的测试结果，可以粗略估计流过保险管的电流为其In的10倍左右。因为该熔断时间已远远超出模拟雷电流冲击的时间，所以可以确定是SPD出现了续流现象导致有较大的电流较长时间流经保险管，使保险管过热熔断。

在用SPD前级输入端采用线－地保护方式，使用了1只气体放电管用于泄放大电流；而后级采取了线－线保护方式，使用1只瞬态抑制二极管限制过压，实现保护设备的目的，如图3所示。

图3 在用SPD原理示意

气体放电管是封装于气体放电介质中的2个或1个以上放电间隙构成的器件［8－9］。一般密封在放电管中的气体为高纯度的惰性气体。当加到电极间的电压达到击穿电压时，气体放电管便由高阻状态转变为低阻状态［10］，但气体放电管也存在一定的缺陷，有时甚至会出现续流现象［11］。

测试表明：SPD上的气体放电管有过电压施加在两端时会被击穿，进入低阻状态，当冲击电流消失时叠加在气体放电管上的直流电压仍能维持气体放电管导通便会出现续流问题，结果24V直流电源会一直通过SPD内部电阻R和处于低阻状态的气体放电管与地相接，直到保险管熔断。

2 解决问题措施探讨

模拟试验结果分析表明，问题原因是SPD使用的气体放电管出现了续流所致。

2.1 解决措施模拟验证试验

为了证实能否通过选择合适的SPD解决续流的问题，笔者利用图2的测试系统对选择的2号测试件施加3kA（8／20μs波形）模拟雷电流冲击进行测试，如图4所示。

图4 2号测试件原理示意

测试结果：SPD残压为45V，符合要求，与在用的SPD残压基本相当；测量保险管两端压降为192mV，冲击后保险丝上的压降一直持续了156μs后降为0；保险管完好，没有熔断。对2号测试件实施了10次冲击后仍没有出现保险管熔断的情况。

2.2 模拟验证试验结果分析

2号测试件残压符合要求，说明SPD起到了泄流和限制过电压的作用。保险管两端压降为192mV，略高于标准给出的150mV的最大压降指标，说明有超出保险管In的电流流过。持续时间只有156μs说明：从受冲击算起到156μs时，SPD上的气体放电管已遮断续流，阻抗从低阻转变为高阻，改变了电源与地的低阻连接状态，避免了保险管熔断。结果表明2号测试件在模拟实际使用工况环境下能有效改善续流现象。

2号测试件与在用SPD的差异：在2号测试件前级使用了2个气体放电管串联，后级采用了全模保护，即线－地与线－线均采取了保护。SPD上使用2个气体放电管串联在一起，使得SPD总的过保持电压比较高。后级采用全模保护，多个瞬态抑制二极管可以在冲击开始时泄放更多电流，即在电阻上的压降更大，气体放电管更容易点火，使得此SPD虽然使用了2个串联的气体放电管也能快速动作。分析表明2号测试件从结构和原理上具有更强的续流遮断能力。

2.3 现场初步应用结果

在2013年5月对12号罐区的11台雷达液位计供电回路SPD进行了更换。更换之后12号罐区再没受雷电的影响，而未更换SPD的罐区仍发生烧保险的情况，初步的使用结果也表明选用合适的SPD可以基本解决炼油罐区雷达液位计供电回路受雷电影响屡烧保险的问题。

3 结束语

通过对问题的分析和模拟测试，基本可以确定在用SPD上的气体放电管出现续流问题，是炼油罐区雷达液位计供电回路受雷电影响屡烧保险问题的主要原因，进一步的模拟验证试验结果表明：通过选用合适的SPD可以解决该问题。更换部分区域SPD的使用效果与模拟试验验证结果基本吻合，初步证实了问题分析研究结果的正确性和解决措施的有效性。

［1］王德言，李雪佩，刘寿先，等.GB 50343—2012电子信息系统防雷规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［2］刘欢.仪表系统的防雷措施［J］.广州化工，2010，38（04）：192－194.

［3］李桢.自动化仪表系统防雷的探讨［J］.石油化工自动化，2008，44（05）：68－71.

［4］叶向东，徐义亨，欧青礼，等.SHT 3164—2012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，2013.

［5］黄旭，俞俊人，周勇，等.GB 50650—2011石油化工装置防雷设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2013.

［6］陈永利，张力里.GB 9364.2—1997小型熔断器 第2部分：管状熔断体［S］.北京：中国标准出版社，1998.

［7］叶蜚誉.第一讲 电涌保护的作用［J］.低压电器，2004（02）：54－57.

［8］石莹，陈健儿，陈少川，等.GB／T 9043—2008通信设备过电压保护用气体放电管通用技术条件［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［9］王新霞.GB／T 18802.311—2007低压电涌保护器元件 第311部分 气体放电管（GDT）规范［S］.北京：中国标准出版社，2007.

［10］姚学玲，杜志航，杨志豪，等.气体放电管直流击穿电压测量技术的研究［J］.西安交通大学学报，2012，46（10）：1－7.

［11］朱楠亭.关于气体放电管的应用分析［J］.中国高新技术企业，2012（26）：36－38.