石油化工行業(yè)中本質(zhì)安全型浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)與選擇分析

張 燁，耿令超，李端祥，宗學(xué)賢

(1.青島科技大學(xué) 山東化工研究院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東春旭化工設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250014；3.山東省思威安全生產(chǎn)技術(shù)中心 ， 山東 濟(jì)南 250014)

雷電屬于一種放電現(xiàn)象，在北方常見于夏季和秋季的雨天，因?yàn)榘l(fā)生雷電現(xiàn)象時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大的雷電流和極高的過電壓，所以，輕則劈裂樹木，重則引發(fā)石油化工廠爆炸及火災(zāi)事故，甚至破壞各類石油化工設(shè)施、擊斃人畜。近年來，伴隨著化工行業(yè)工業(yè)化程度的提升和高速發(fā)展，本質(zhì)安全型浪涌保護(hù)器成為石油化工行業(yè)中防止電子系統(tǒng)遭遇破壞性襲擊的重要設(shè)備，又因?yàn)樵O(shè)備內(nèi)的芯片對(duì)外界環(huán)境的敏感性較強(qiáng)，為了保證石油化工業(yè)控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行，本質(zhì)安全型浪涌保護(hù)器成為石油化工企業(yè)中不可缺少的設(shè)備之一。

1 雷電流

雷電流是一種伴隨著雷雨天氣的放電現(xiàn)象，又被理解為理想電流源。電壓的高低與通過導(dǎo)體的電阻和電流的幅值有密切關(guān)系?？梢杂梦锢碇袣W姆定律:U=I×R來解釋理想電流源。當(dāng)雷電流通過導(dǎo)體時(shí)，受電流和電阻的影響，導(dǎo)體兩端的電壓會(huì)出現(xiàn)變化。因此，當(dāng)發(fā)生雷電現(xiàn)象時(shí)，雷電流會(huì)迅速傳入建筑物中的接地裝置，在接地電阻的影響下，使電壓發(fā)生變化。此時(shí)的電壓會(huì)急劇升高，會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般的220V，達(dá)到10kV/5kA及其以上，從而引發(fā)地接裝置及其相關(guān)儀器被擊穿的危險(xiǎn)。

2 本質(zhì)安全型浪涌保護(hù)器

本質(zhì)安全型浪涌保護(hù)器是一種安裝于危險(xiǎn)區(qū)域的防護(hù)設(shè)備，主要是用來防止電力系統(tǒng)設(shè)備在受到雷擊時(shí)，導(dǎo)體兩端電壓在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生改變而引發(fā)的危險(xiǎn)。它的工作原理是當(dāng)雷擊致使接地設(shè)備的電壓在相對(duì)短暫的時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，將原本電流改為暫態(tài)電流而放到地上，讓電力系統(tǒng)之間的電壓處于安全水平，讓各設(shè)備之間的信號(hào)線能夠正常傳輸，從而起到保護(hù)整個(gè)石油化工企業(yè)電力系統(tǒng)的作用。

本質(zhì)安全型浪涌保護(hù)器在未受到外界自然現(xiàn)象干擾時(shí)，電力設(shè)備處于安全狀態(tài)。一旦監(jiān)測到信號(hào)異常時(shí)，在它的內(nèi)部還存有至少一個(gè)非線性元件就開始發(fā)揮作用，例如：當(dāng)電壓瞬間增加時(shí)，該非線性元件會(huì)迅速變成較低的電阻，在一定程度上降低設(shè)備兩端的電壓，使其處在同一水平。而當(dāng)雷電流退去時(shí)，該非線性元件的電阻，又會(huì)恢復(fù)到之前的高阻狀態(tài)，使設(shè)備繼續(xù)在穩(wěn)定的環(huán)境下運(yùn)行?？傊?，該浪涌保護(hù)器具有不產(chǎn)生點(diǎn)火能量和存儲(chǔ)性的特點(diǎn)，一旦使用不僅可以有效維護(hù)接地設(shè)備的安全，而且還會(huì)保護(hù)現(xiàn)場接口儀表[1]。

3 本質(zhì)安全型浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)

伴隨著安全意識(shí)的提高，對(duì)石油化工企業(yè)本質(zhì)安全型浪涌保護(hù)器的設(shè)備質(zhì)量提出了更高要求。目前，本質(zhì)安全型浪涌保護(hù)器的電路主要采用了二級(jí)保護(hù)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)[2-3]。

首先進(jìn)行對(duì)動(dòng)作、響應(yīng)速度最快的是瞬態(tài)抑制二極管(TVS)，它會(huì)以Ps級(jí)的速度使導(dǎo)體兩端的電阻發(fā)生變化、由高變低，使兩端之間的額定電壓反向關(guān)斷電壓，使現(xiàn)有電壓可以擊穿電壓VBR。當(dāng)雷電流出現(xiàn)時(shí)，TVS兩端的電流會(huì)達(dá)到最大值，甚至脈沖電流IPP，設(shè)備兩端的電流會(huì)降到預(yù)定值最大鉗位電壓Vc以下，從而吸收大量的浪涌功率。在電力系統(tǒng)設(shè)備中，TVS與GDT在性能方面存在差異，主要體現(xiàn)在放電響應(yīng)時(shí)間上，對(duì)于GDT而言，其放電響應(yīng)時(shí)間為μs級(jí)。面對(duì)兩者之間的差異，并且TVS管通流量的限定額度較小，使用壽命有限，如果遭遇雷電次數(shù)較多以后，就會(huì)失靈，無法起到攔截雷電的作用。這需要通過使用退耦元件來調(diào)節(jié)，只有這樣才能使GDT提前到達(dá)TVS導(dǎo)通泄流，最終達(dá)到TVS與GDT能量的密切配合。

4 本質(zhì)安全型浪涌保護(hù)器的選擇

對(duì)于本質(zhì)安全型電源保護(hù)器而言，類型和型號(hào)多樣。但是對(duì)于石油化工企業(yè)而言，需要在眾多型號(hào)和類型中選取適合本企業(yè)的本質(zhì)安全型浪涌保護(hù)器。只有選取適當(dāng)類型和型號(hào)，才能使本質(zhì)安全型浪涌保護(hù)器起到最佳的保護(hù)作用，最終促進(jìn)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。在進(jìn)行選擇時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)問題:

4.1 型號(hào)

本質(zhì)安全型浪涌保護(hù)器的型號(hào)與設(shè)備的保護(hù)效果與狀態(tài)緊密相連。在石油化工企業(yè)中，不論是煉油廠、加工廠，還是燃?xì)?、石油、管道運(yùn)輸均屬于大型工程，對(duì)電力系統(tǒng)的安全級(jí)別較高。因此，在石油化工行業(yè)，選擇型號(hào)適當(dāng)?shù)谋举|(zhì)安全型浪涌保護(hù)器至關(guān)重要。

本質(zhì)安全型浪涌保護(hù)器的型號(hào)類型包括:熱電阻輸入、四線制的4～20mA的信號(hào)儀表、5V DC熱電偶、24V DC兩線制等，應(yīng)該在眾多型號(hào)中選擇與本企業(yè)設(shè)備參數(shù)相匹配、符合國家儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)格的合格產(chǎn)品。此外，還需要根據(jù)通路中的信號(hào)電流數(shù)值選取型號(hào)的等級(jí)。(例如:對(duì)于型號(hào)電流數(shù)值最大為Ic≥150mA的，需要選擇4～20mA的信號(hào)儀表；對(duì)于型號(hào)電流數(shù)值最大為:Ic≥600mA的，需要選擇供電線路直流為24V的儀表)

4.2 防護(hù)距離

在選取本質(zhì)安全型浪涌保護(hù)器時(shí)，還需要注意電力系統(tǒng)中設(shè)備之間的直線距離和該設(shè)備室外的兩個(gè)儀表之間的直線距離，因?yàn)榉雷o(hù)距離也深刻影響電力安全保護(hù)的效果。

對(duì)于控制室和現(xiàn)場儀表而言，控制室是需要選擇導(dǎo)軌式安裝型的浪涌保護(hù)器，現(xiàn)場是需要選擇螺紋管的浪涌保護(hù)器。對(duì)于地面上的信號(hào)電纜而言，垂直距離限定在10m以上，水平距離限定在100m以上。如果距離較近，會(huì)使浪涌保護(hù)器和設(shè)備之間產(chǎn)生震蕩波，從而產(chǎn)生過電壓，不利于電力設(shè)備的保護(hù)。如果距離較遠(yuǎn)，則起不到保護(hù)效果。

4.3 壽命

在進(jìn)行本質(zhì)安全型浪涌保護(hù)器選擇時(shí)，還需要考慮的是浪涌保護(hù)器的使用壽命。因?yàn)樵诶擞勘Ｗo(hù)器在安裝成功的最初一瞬間會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)高電勢，如果選擇的型號(hào)壽命較長，以后便可繼續(xù)使用。否則，該保護(hù)器的壽命則是最初的那一瞬間。因此，在購買本質(zhì)安全型浪涌保護(hù)器之前，需要對(duì)該產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命進(jìn)行評(píng)估，以便購買到質(zhì)量較好、壽命較長的浪涌保護(hù)器。

5 結(jié)束語

由于電力系統(tǒng)的安全與雷電流存在密切聯(lián)系，近年來，安全意識(shí)不斷提高，本質(zhì)安全型浪涌保護(hù)器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)。本文在對(duì)雷電流了解的基礎(chǔ)上，對(duì)本質(zhì)安全型電容保護(hù)器的設(shè)計(jì)與選擇進(jìn)行分析。希望石油化工企業(yè)準(zhǔn)確選擇浪涌保護(hù)器，最終促進(jìn)石油化工行業(yè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。