电涌保护器在水厂控制系统的防雷应用探讨

滕大祝，王林

(1. 扬子石油化工有限公司，江苏 南京 211100；2. 南京优倍电气有限公司，江苏 南京 211100)

随着石油化工产业的资源整合，规模大、控制点数多的装置越来越多。可编程控制器(PLC)系统及现场设备集成度越来越高，体现在节约柜体空间，体积越来越小，但面临的难题是微电子耐受外界干扰能力相对较弱。在强雷电频繁发生的场合，信号回路、电源回路中由于直击雷或感应雷所造成的干扰，对电源、电流/电压、开关量、通信等卡件端口造成很大影响[1-2]。因此，在现场至控制室之间的传输线缆两端设置电涌保护器(SPD)，保护PLC,DCS,SIS等系统卡件及现场设备变得尤为重要。

1 雷电波形分类及危害

雷电被分为直击雷和感应雷。直击雷直接破坏建筑物、输电网、旷野中的突出物等，其雷电波形为10/350 μs的电流波，属于Ⅰ类防雷。感应雷是由雷电产生的雷电电磁脉冲，以电磁感应和静电感应的作用，通过金属管道和电缆线路引入，其雷电波形为8/20 μs的电流波，大小为几千伏到几十千伏之间，属于Ⅱ类防雷。对于电源和控制开关切换时产生瞬变振铃波干扰信号，其波形为0.5 μs ，100 kHz，属于脉冲频率[3-4]。不同能量的雷电流波形如图1所示。

图1 不同能量的雷电流波形示意

雷电短路波形8/20 μs的电流波，其波前时间为8 μs，半峰时间为20 μs，短路电流函数描述为：

(1)

式中：A——常数；Ip——峰值电流；τ——时间常数；t——时间。

雷电开路波形1.2/50 μs的电压波，其波前时间为1.2 μs，半峰时间为50 μs，开路电压指数函数描述为

(2)

式中：Up——峰值电压；τ1，τ2——时间常数。

将开路电压波(1.2/50 μs)和短路电流波(8/20 μs)合成一个单一波形时，称之为组合波，属于Ⅲ类防雷，通常终端设备考虑波形大小为20 kV/10 kA。它通过电阻式、电感式、电容式等耦合方式，分别在电源线、信号线等路径传输，对电气设备及信号设备造成短暂甚至永久性的损坏，影响设备的稳定运行，造成信号传输丢失等危害。

2 电涌保护器分类及参数

SPD是保护电气/电子设备的器件，是用于雷击或高压开关引起的瞬态电涌的保护设备。在被保护设备前设置SPD，在回路中，将外界的干扰冲击大电流瞬时泄放，钳位电压。

SPD主要分为电压开关型和限压型。电压开关型SPD在没有电涌时，呈现高阻状态，在电涌发生时，其由高阻变低阻，泄放大电流，将被保护设备两端的电压限制在较低的水平，由气体放电管组成。限压型SPD在没有电涌状态下呈现高阻，当电涌增加时阻抗持续变小，由压敏电阻、瞬态抑制二极管组成。最终电涌结束之后，该非线性元件又自恢复成高阻状态(即开路状态)，并连在回路之中，不影响信号的正常传输。

在电源供电系统或信号回路系统中，SPD需要具备如下要求[5]：

1)最大持续运行电压。允许设置并持续不损坏SPD的工作电压，可以为交流电压或直流电压。

2)标称放电电流。设置标准试验波形电流和规定实验次数时，SPD不损坏的最大电涌电流。

3)电压保护水平。通过标准试验波形，泄放电涌电流时，在SPD输出端呈现的最大安全电压值。

4)插入损耗。当保护回路中插入SPD所引起的回路损耗，等于插入前后的功率损耗。

依据雷电保护区域划分，有LPZ0A，LPZ0B，LPZ1，LPZn等防雷区，雷电的巨大能量是无法一次性泄放完成，采用分级泄放的方式较为合理。通常Ⅰ类SPD设置在电源总配电回路中，泄放直击雷所产生的巨大能量；当Ⅰ类防雷产品泄放完大部分雷电流之后，需要Ⅱ类SPD持续泄放Ⅰ类所残留的雷击电流；在终端信号、通信接口等处设置Ⅲ类SPD进行防护，将残压值降到最低，不同系统回路中的设备，SPD电压保护水平要求见表1所列[6-7]。

表1 不同设备的SPD电压保护水平分布

3 可编程控制器系统失效事故分析及改善方案

3.1 控制系统失效分析

某水厂净一装置的2套PLC应用于纯氧生化单元和过滤泵房，由于遭受外部强雷电天气，导致控制室PLC无法采集现场信号，同时无法控制现场设备。发生报警后，在PLC端和现场端采用故障排除法，更换PLC各部件单元，发现24 V(DC)电源模块以及集成接口底板及通信卡件发生损坏，导致AI，DI板卡不能工作，无法通信。

进一步分析卡件底板及卡件故障原因，发现纯氧生化单元控制系统失效前，发生了强雷电天气，直击雷通过电源线引入，演变成二次感应雷击，损坏了控制系统工作电源的电子单元，研究发现集成接口底板电源处端口电容及压敏电阻等电子器件发生短路，导致底板无法正常配电工作，使得系统工作异常，造成单元控制系统失效。事故排查小组在现场分析中发现，在控制系统AI端口设置部分5 kA信号SPD进行信号防护；而在控制系统的220 V(AC)电源输入以及24 V(DC)电源输入端，则未设置SPD，导致电源输入部分击穿损坏，由于信号回路设置了SPD，否则二次感应雷击将造成更多设备的损坏[8-9]。

3.2 控制系统防雷设计方案

综合防雷系统是由内部防雷和外部防雷组成，外部防雷采取接闪器、引下线、屏蔽、接地装置等措施，主要用于直击雷防护；内部防雷主要采取安装SPD、合理布线、等电位连接、屏蔽等措施，外部防雷和内部防雷共用接地系统，如图2所示。

图2 综合防雷系统示意

现场动力线或信号线进入控制系统，在线路总配电柜应设置Ⅰ类(≥12.5 kA,10/350 μs)SPD或大通流能力的Ⅱ类(≥80 kA, 8/20 μs)SPD作为一级防雷保护，区域为LPZ0A，或LPZ0B与LPZ1交界处；在分配电柜及后续配电柜防护区域中，设置Ⅱ类(≥40 kA,8/20 μs)或Ⅲ类(≥5 kA, 8/20 μs)SPD进行保护；特别是电子通信及控制信号设备的电源端口需设置Ⅲ类SPD进行保护。

针对事故现象及原因分析，发现控制系统电源底板端口具备防电涌的保护器件设计，不过其本身的被动保护器件——压敏电阻为800 A(8/20 μs)，其抗冲击能力较弱。通常遭受二次感应雷击或者高压开关开启引起的瞬态电流为3 kA及以上，为了解决上述问题，对现有控制系统进行防雷设计布局改造设计，如图3所示。

图3 控制系统防雷方案设计示意

在控制系统机柜的220 V(AC)电源端口处新增电源型(40 kA，8/20 μs)SPD，在24 V电源卡件供电处新增加24 V(DC)电源型(20 kA，8/20 μs) SPD进行保护。SPD选择原则为： 具有热插拔功能，带失效指示及远程功能，可有效防止后期SPD损坏,以及无法判别的现象发生。将失效干接点信号作为开关量信号，输入PLC进行平台报警设计，既解决电涌冲击干扰问题，又可实现很好的器件失效监控功能。信号SPD则依据SH/T 3164—2012《石油化工仪表防雷设计规范》建议： 当线缆铺设长度，在水平距离大于100 m和垂直距离大于10 m的情况下，两线制、三线制变送器现场端、电气阀门定位器、信号数据通信等设置现场信号SPD，控制室一侧信号SPD，该次改造选择了10 kA高浪涌冲击能力产品，通过对控制系统的电源回路和信号回路的电涌雷击设计方案改造，从而达到合理保护的作用[10]。

当工业控制系统及仪表的电源和信号线从室外架空引入室内后，需要配置SPD，其接地应直接或通过机柜的保护接地汇流排接到机柜下方的网型结构接地排[10]。室内安装的单台仪表的接地线径为1.0～2.5 mm2，现场仪表或接线箱的接地连接线径为2.5～4.0 mm2，接地连接电阻小于1 Ω。

在现场侧进行电涌防护时，需要将被保护现场仪表金属设备的接地端子或外壳与SPD的接地线相连，并保证就近接地，所有用于雷电电流泄放的导体、线缆应尽可能短，并采用直线路径铺设，如图4所示。现场仪表金属外壳可通过接地螺钉与金属安装支架相连，或通过金属设备、容器等设备接地。

图4 SPD接地连接示意

4 结束语

综上所述，石油化工行业控制系统的雷电防护非常重要，必须予以重视。本文分析了不同雷电波形及其危害，对SPD的分级、分区域保护提供了案例，给出具体的SPD的定义及电气参数，同时分析了某水厂净一装置因为雷电造成的事故及解决方案，增加了电涌防护器，进一步提升控制系统回路中关于现场设备和卡件等设备抗干扰能力，同时通过合理的接地，实现可靠的雷击抗干扰设计。