高位露天液位测量系统的防雷措施

杨震力

（神华国华舟山发电有限责任公司，浙江 舟山 316012）

神华国华舟山发电有限责任公司的生活用水系统设置有2只水箱，一只设置在汽机房的房顶，标高45 m，另一只设置在厂区的山坡上，标高48 m。山顶水箱液位由装在水箱上的投入式变送器进行测量，变送器通过200多米的铠装控制电缆与二次仪表联接组成水位测量系统，电缆未进行埋地敷设。每当雷雨天时，山坡上的水箱液位变送器、综合水泵房内的二次仪表常因雷击而损坏，采取铠装电缆铠包接地、二次仪表接地等措施仍不能解决雷击问题。

1 雷击损坏原因分析

雷击损坏仪表有2种情况，一种是直接雷击到液位变送器或电缆上，另一种是由于雷电电磁脉冲在测量系统的电缆上感应出高电压而损坏测量系统。

山顶水箱虽然标高较高，但不是在山的最高点，在离水箱100多米处还有移动手机基站，其标高高于水箱，基站设有防直击雷的避雷针，水箱水位变送器在避雷针的保护范围内，所以山顶水箱受直击雷的概率较小。

避雷针的作用是把雷电引向自身，从而使保护区范围内的被保护对象免遭直接雷击。但避雷针的引雷作用也会增加保护区域雷击概率，只不过雷击电流通过避雷针引入了地下，保护范围内的设备雷电流流过的概率大大减小。

避雷针在把强大的雷击电流引入地下的过程中，由于雷电流陡度di/dt的作用，在其周围金属体内产生感应电压，即感应脉冲过电压，其影响范围很大。如一个30 kA的中等雷落在避雷针上所产生的感应脉冲过电压为：

式中：a为雷电流引线与被感应导体间的平行距离；di/dt=30/26≈11.5 kA/μs。

30 kA的雷击在避雷针周围导体上耦合出的感应脉冲过电压值如表1所示。

表1 30 kA雷击时的感应脉冲过电压

由表1可以看出，避雷针周围500 m范围内的电子仪表设备都是感应雷破坏的对象，并可计算出在液位测量系统的电缆上可能会感应出320～840kV脉冲过电压（电缆长度以200 m计算，与避雷针距离最近以100 m、最远以300 m计算），这么高的电压必定会损坏仪表。

2 电涌防护器原理

一套完整的电子设备防雷系统应建立三维防护体系，即防直击雷、防感应雷电波侵入、防雷电电磁感应、防地电位反击以及操作引起的瞬间过电压影响等。由于高位露天液位测量系统较小，所以只考虑雷电电磁脉冲对电源线路和信号线路的感应过电压入侵，并同时考虑等电位的连接。

选用了菲尼克斯公司生产的3种SPD（电涌保护器）：用于二次仪表220 V AC电源的SPD是PT 2-PE/S-230AC/FM，其电路如图1所示；用于二次仪表输入信号的SPD是PT 1×2-24DC，其电路如图2所示；用于现场变送器的SPD是S-PTEX-24DC，其电路如图3所示。

（1）图1电路由气体放电管（粗保护）、压敏电阻（细保护）、发光二极管、熔丝组成。IN端接电涌电流来向，OUT端接被保护设备，端子L和N分别接1对220 V火线、零线。端子3和4端子任选1个接地，如果金属导轨已接地，此接地线可不接。端子11和12接1对开关量报警回路。当电涌电流从IN端进入SPD，细保护压敏电阻在25 ns内启动，限制火线、零线之间出现过电压。当火线或零线电压抬升至940 V以上时，粗保护气体放电管在100 ns内击穿，对地放电，可泄放10 kA（8/20μs）电涌电流，压敏电阻限制电压至1.1kV，泄放完成后各器件恢复常态。当压敏电阻损坏时，熔丝熔断，发光二极管导通发出红光，提示更换，同时，端子11和12由常闭变常开，提供开关量报警。

图1 PT2-PE/S-230AC/FM型SPD的电路

（2）图2电路由气体放电管（粗保护）、退偶电阻、抑制二极管（细保护）组成。IN端接电涌电流来向，OUT端接被保护设备，端子7和11接1对4～20 mA和24 V模拟量信号线，对应的端子8和12接被保护设备。端子9和10接屏蔽层。端子3和4任选1个接地，如果金属导轨已接地，此接地线可不接。端子9和10与3和4之间是1个可选的气体放电管，作用是当系统要求将防雷保护地与测量系统的抗干扰地分开时，既能在正常时提高测量系统的抗干扰能力，又能在雷电发生时通过气体放电管瞬间导通，保证两地的等电位要求。在正常工况时仪表信号线上的电压为24 V DC，抑制二极管动作，不影响仪表正常工作，当电涌电流从IN端进入SPD，2根信号线产生大于40 V差模电压时，细保护抑制二极管在1 ns内导通，使电压钳位在40 V，防止差模电压过大损坏二次仪表。当2根信号线中的任1根对地电压大于360 V时，粗保护气体放电管在100 ns内导通，保证2根信号线对地的共模电压不大于360 V，保护二次仪表不会由于共模电压过高而被击穿。电路中的退偶电阻起到升压作用，气体放电管可泄放10 kA（8/20μs）浪涌电流，抑制二极管可限制电压至40 V，泄放完成后各器件恢复常态。退偶电阻为2.2Ω，根据IEC标准要求测试，当退偶电阻为2.2Ω时，粗细两级保护的能量配合最佳。

图2 PT1×2－24DC型SPD的电路

（3）图3电路由气体放电管（粗保护）、抑制二极管（细保护）组成。端子BN和BL并接1对4～20 mA，24 V模拟量信号线，端子BK接地。当电涌电流从线路进入SPD，细保护抑制二极管在1 ns内启动，实现瞬间等电位，当电压抬升至360 V以上时，粗保护气体放电管在100 ns内击穿，对地放电，可泄放10 kA（8/20μs）浪涌电流，抑制二极管可限制电压至65 V，泄放完成后各器件恢复常态。抑制二极管组成桥电路，可降低回路电容。

图3 S-PT-EX-24DC型SPD的电路

该SPD拧在变送器的1只穿线孔上，能保护变送器的1对信号线，变送器的外壳对地电位不大于360 V，信号线之间电压不大于65 V，可有效防止雷电过电压对变送器的损坏。

3 液位测量系统防雷的实施

山顶水箱液位测量接线如图4所示，图中接地点A和B连接在山顶水箱周围为防雷要求新做的接地网上，接地电阻小于10Ω。此接地网未与仪表室内的接地网相连，原因是两地距离较远，施工不便；当雷电感应时，变送器内部元器件及周围的水箱、地面电位同时升高，不会造成变送器的损坏。若A点和B点与仪表室的地相连，则两点的电位差为零，变送器内部元器件对变送器和外壳存在电位差，电位差过大时将引起变送器损坏。仪表室内的接地点C，D，E点及控制柜的外壳都接在同一个接地母排上。

由图4可知，变送器侧的SPD与变送器的接线端子并联，当雷电冲击电压或冲击电流超过保护值时，能瞬间把雷电流引入地下，保护设备对地电压在低压值，从而不损坏变送器。

图4 山顶水箱液位测量接线

二次仪表与SPD串联接线，当雷电冲击电压、冲击电流沿电缆进入仪表室时，SPD能瞬间把雷电流引入地下，从而不会损坏二次仪表。

当雷电冲击电压、冲击电流沿220 V AC供电电源入侵时，电源侧的SPD能瞬间把雷电流引入地下，从而保护仪表免遭损坏。

4 结语

本系统改造方案简单，并按防雷规范要求进行设计与施工，取得了较好的防雷效果。

[1]周志敏，周纪海，纪爱华.电子信息系统防雷接地[M].北京：人民邮电出版社，2004.

[2]毛予晖，刘瑛.防雷接地引起的问题探讨[J].现代农业科技，2010（1）∶289-290.