高位露天液位測量系統(tǒng)的防雷措施

楊震力

（神華國華舟山發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 舟山 316012）

神華國華舟山發(fā)電有限責(zé)任公司的生活用水系統(tǒng)設(shè)置有2只水箱，一只設(shè)置在汽機房的房頂，標(biāo)高45 m，另一只設(shè)置在廠區(qū)的山坡上，標(biāo)高48 m。山頂水箱液位由裝在水箱上的投入式變送器進行測量，變送器通過200多米的鎧裝控制電纜與二次儀表聯(lián)接組成水位測量系統(tǒng)，電纜未進行埋地敷設(shè)。每當(dāng)雷雨天時，山坡上的水箱液位變送器、綜合水泵房內(nèi)的二次儀表常因雷擊而損壞，采取鎧裝電纜鎧包接地、二次儀表接地等措施仍不能解決雷擊問題。

1 雷擊損壞原因分析

雷擊損壞儀表有2種情況，一種是直接雷擊到液位變送器或電纜上，另一種是由于雷電電磁脈沖在測量系統(tǒng)的電纜上感應(yīng)出高電壓而損壞測量系統(tǒng)。

山頂水箱雖然標(biāo)高較高，但不是在山的最高點，在離水箱100多米處還有移動手機基站，其標(biāo)高高于水箱，基站設(shè)有防直擊雷的避雷針，水箱水位變送器在避雷針的保護范圍內(nèi)，所以山頂水箱受直擊雷的概率較小。

避雷針的作用是把雷電引向自身，從而使保護區(qū)范圍內(nèi)的被保護對象免遭直接雷擊。但避雷針的引雷作用也會增加保護區(qū)域雷擊概率，只不過雷擊電流通過避雷針引入了地下，保護范圍內(nèi)的設(shè)備雷電流流過的概率大大減小。

避雷針在把強大的雷擊電流引入地下的過程中，由于雷電流陡度di/dt的作用，在其周圍金屬體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，即感應(yīng)脈沖過電壓，其影響范圍很大。如一個30 kA的中等雷落在避雷針上所產(chǎn)生的感應(yīng)脈沖過電壓為：

式中：a為雷電流引線與被感應(yīng)導(dǎo)體間的平行距離；di/dt=30/26≈11.5 kA/μs。

30 kA的雷擊在避雷針周圍導(dǎo)體上耦合出的感應(yīng)脈沖過電壓值如表1所示。

表1 30 kA雷擊時的感應(yīng)脈沖過電壓

由表1可以看出，避雷針周圍500 m范圍內(nèi)的電子儀表設(shè)備都是感應(yīng)雷破壞的對象，并可計算出在液位測量系統(tǒng)的電纜上可能會感應(yīng)出320～840kV脈沖過電壓（電纜長度以200 m計算，與避雷針距離最近以100 m、最遠以300 m計算），這么高的電壓必定會損壞儀表。

2 電涌防護器原理

一套完整的電子設(shè)備防雷系統(tǒng)應(yīng)建立三維防護體系，即防直擊雷、防感應(yīng)雷電波侵入、防雷電電磁感應(yīng)、防地電位反擊以及操作引起的瞬間過電壓影響等。由于高位露天液位測量系統(tǒng)較小，所以只考慮雷電電磁脈沖對電源線路和信號線路的感應(yīng)過電壓入侵，并同時考慮等電位的連接。

選用了菲尼克斯公司生產(chǎn)的3種SPD（電涌保護器）：用于二次儀表220 V AC電源的SPD是PT 2-PE/S-230AC/FM，其電路如圖1所示；用于二次儀表輸入信號的SPD是PT 1×2-24DC，其電路如圖2所示；用于現(xiàn)場變送器的SPD是S-PTEX-24DC，其電路如圖3所示。

（1）圖1電路由氣體放電管（粗保護）、壓敏電阻（細保護）、發(fā)光二極管、熔絲組成。IN端接電涌電流來向，OUT端接被保護設(shè)備，端子L和N分別接1對220 V火線、零線。端子3和4端子任選1個接地，如果金屬導(dǎo)軌已接地，此接地線可不接。端子11和12接1對開關(guān)量報警回路。當(dāng)電涌電流從IN端進入SPD，細保護壓敏電阻在25 ns內(nèi)啟動，限制火線、零線之間出現(xiàn)過電壓。當(dāng)火線或零線電壓抬升至940 V以上時，粗保護氣體放電管在100 ns內(nèi)擊穿，對地放電，可泄放10 kA（8/20μs）電涌電流，壓敏電阻限制電壓至1.1kV，泄放完成后各器件恢復(fù)常態(tài)。當(dāng)壓敏電阻損壞時，熔絲熔斷，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)出紅光，提示更換，同時，端子11和12由常閉變常開，提供開關(guān)量報警。

圖1 PT2-PE/S-230AC/FM型SPD的電路

（2）圖2電路由氣體放電管（粗保護）、退偶電阻、抑制二極管（細保護）組成。IN端接電涌電流來向，OUT端接被保護設(shè)備，端子7和11接1對4～20 mA和24 V模擬量信號線，對應(yīng)的端子8和12接被保護設(shè)備。端子9和10接屏蔽層。端子3和4任選1個接地，如果金屬導(dǎo)軌已接地，此接地線可不接。端子9和10與3和4之間是1個可選的氣體放電管，作用是當(dāng)系統(tǒng)要求將防雷保護地與測量系統(tǒng)的抗干擾地分開時，既能在正常時提高測量系統(tǒng)的抗干擾能力，又能在雷電發(fā)生時通過氣體放電管瞬間導(dǎo)通，保證兩地的等電位要求。在正常工況時儀表信號線上的電壓為24 V DC，抑制二極管動作，不影響儀表正常工作，當(dāng)電涌電流從IN端進入SPD，2根信號線產(chǎn)生大于40 V差模電壓時，細保護抑制二極管在1 ns內(nèi)導(dǎo)通，使電壓鉗位在40 V，防止差模電壓過大損壞二次儀表。當(dāng)2根信號線中的任1根對地電壓大于360 V時，粗保護氣體放電管在100 ns內(nèi)導(dǎo)通，保證2根信號線對地的共模電壓不大于360 V，保護二次儀表不會由于共模電壓過高而被擊穿。電路中的退偶電阻起到升壓作用，氣體放電管可泄放10 kA（8/20μs）浪涌電流，抑制二極管可限制電壓至40 V，泄放完成后各器件恢復(fù)常態(tài)。退偶電阻為2.2Ω，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)要求測試，當(dāng)退偶電阻為2.2Ω時，粗細兩級保護的能量配合最佳。

圖2 PT1×2－24DC型SPD的電路

（3）圖3電路由氣體放電管（粗保護）、抑制二極管（細保護）組成。端子BN和BL并接1對4～20 mA，24 V模擬量信號線，端子BK接地。當(dāng)電涌電流從線路進入SPD，細保護抑制二極管在1 ns內(nèi)啟動，實現(xiàn)瞬間等電位，當(dāng)電壓抬升至360 V以上時，粗保護氣體放電管在100 ns內(nèi)擊穿，對地放電，可泄放10 kA（8/20μs）浪涌電流，抑制二極管可限制電壓至65 V，泄放完成后各器件恢復(fù)常態(tài)。抑制二極管組成橋電路，可降低回路電容。

圖3 S-PT-EX-24DC型SPD的電路

該SPD擰在變送器的1只穿線孔上，能保護變送器的1對信號線，變送器的外殼對地電位不大于360 V，信號線之間電壓不大于65 V，可有效防止雷電過電壓對變送器的損壞。

3 液位測量系統(tǒng)防雷的實施

山頂水箱液位測量接線如圖4所示，圖中接地點A和B連接在山頂水箱周圍為防雷要求新做的接地網(wǎng)上，接地電阻小于10Ω。此接地網(wǎng)未與儀表室內(nèi)的接地網(wǎng)相連，原因是兩地距離較遠，施工不便；當(dāng)雷電感應(yīng)時，變送器內(nèi)部元器件及周圍的水箱、地面電位同時升高，不會造成變送器的損壞。若A點和B點與儀表室的地相連，則兩點的電位差為零，變送器內(nèi)部元器件對變送器和外殼存在電位差，電位差過大時將引起變送器損壞。儀表室內(nèi)的接地點C，D，E點及控制柜的外殼都接在同一個接地母排上。

由圖4可知，變送器側(cè)的SPD與變送器的接線端子并聯(lián)，當(dāng)雷電沖擊電壓或沖擊電流超過保護值時，能瞬間把雷電流引入地下，保護設(shè)備對地電壓在低壓值，從而不損壞變送器。

圖4 山頂水箱液位測量接線

二次儀表與SPD串聯(lián)接線，當(dāng)雷電沖擊電壓、沖擊電流沿電纜進入儀表室時，SPD能瞬間把雷電流引入地下，從而不會損壞二次儀表。

當(dāng)雷電沖擊電壓、沖擊電流沿220 V AC供電電源入侵時，電源側(cè)的SPD能瞬間把雷電流引入地下，從而保護儀表免遭損壞。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)改造方案簡單，并按防雷規(guī)范要求進行設(shè)計與施工，取得了較好的防雷效果。

[1]周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華.電子信息系統(tǒng)防雷接地[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[2]毛予暉，劉瑛.防雷接地引起的問題探討[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010（1）∶289-290.