過程控制系統(tǒng)的浪涌防護設計
過程控制系統(tǒng)的浪涌防護設計――在江漢油田壓氣站的工程應用 第二作者 深圳萬訊自控有限公司 熊軒 摘要：本文論述了過程控制系統(tǒng)防浪涌的必要性，重點介紹浪涌保護器的原理和過程控制的應用特點，通過舉例說明了在油田現(xiàn)場的工程應用。 關鍵詞：過程控制 浪涌保護器 接地 一．過程控制防浪涌的必要性 近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展和技術進步，過程工業(yè)的自動化程度迅速提高，精密的電子信息設備在過程控制領域廣泛地應用。然而，隨著集成度的提高，現(xiàn)代電子設備的耐電壓沖擊能力卻顯著降低，雷電產(chǎn)生的瞬間浪涌（及其產(chǎn)生的電磁脈沖）對電子設備的損害成逐年上升趨勢。 過程工業(yè)本身的特點決定了對控制系統(tǒng)及儀表裝置對浪涌防護的需求： 設備分布廣泛，儀表與控制系統(tǒng)分布在數(shù)百米甚至更大的空間許多工藝裝置高聳于地面，容易遭受雷擊。 工況環(huán)境惡劣，相當多的現(xiàn)場儀表工作在露天的無防護環(huán)境。 控制系統(tǒng)設備價值昂貴，一旦損毀，經(jīng)濟損失大。 工藝停車事故造成的間接經(jīng)濟損失巨大，修復再開車時間長。 雖然，浪涌危害直接體現(xiàn)在硬件方面的損失，然而更大的危害是設備停機所造成的潛在經(jīng)濟損失。因此，對浪涌采取有效的防護是保證過程控制系統(tǒng)可靠運行不可缺少的環(huán)節(jié)。 下面僅僅是深圳萬訊公司直接獲知的幾個浪涌危害的案例 上海某化工廠05年遭受雷擊，導致DCS停機，板卡損壞 湖南婁底某電廠，06年多次遭受雷暴，液位測量儀表損壞，DCS 的I/O系統(tǒng)損壞。 江漢油田某采油廠，06年遭受雷擊，導致現(xiàn)場儀表與控制室儀表損壞多處。 到目前為止，郵電、電力、建筑等行業(yè)均出臺了成套的防雷技術規(guī)范標準，而工業(yè)自動化還缺乏一套完整的防雷技術規(guī)范，設計院的電氣、儀表設計人員在考慮防雷問題時只能參考其他行業(yè)的標準，這也是推廣過程控制系統(tǒng)防雷需要解決的問題。 二．浪涌保護器的設計 過程自動化系統(tǒng)有它本身的特點，它的設備眾多，涉及到現(xiàn)場的變送器（溫度、壓力、液位）、電動/氣動執(zhí)行器、集散控制系統(tǒng)、PLC和常規(guī)控制儀表?，F(xiàn)代的過程控制還引入了多種通訊技術?？梢哉f過程控制是信號錯綜復雜，設備分布廣泛，因此需要一套完整的保護體系。可見過程控制系統(tǒng)的防雷是一個系統(tǒng)工程，從電源線路開始，到信息系統(tǒng)入口端，除考慮系統(tǒng)自身的防雷措施外，還應與建筑物防雷、接地設計等相互配合，同時還要兼顧信號系統(tǒng)的電磁兼容的要求。 浪涌防護基本原理—為浪涌電流提供一條對地泄放的合理的阻抗路徑?？梢姡擞帽Ｗo器的可靠接地是至關重要的。 浪涌保護器（SPD surge protect device）又稱為避雷器、防雷柵、浪涌抑制器，其的核心功能是泄流與限壓。目前，浪涌保護器采用的浪涌抑制器件有氣體放電管、氧化鋅壓敏電阻、齊納二極管等。 （1）氣體放電管：管內(nèi)充有惰性氣體，沒有浪涌電壓時，放電管的阻抗非常大。當浪涌電壓侵入時，放電管里的兩極間氣體發(fā)生電離，此時兩極間阻抗降低，給浪涌提供泄放通道。它的浪涌吸收能力大，泄放電流可大于數(shù)十千安，但它對浪涌電壓響應速度較慢，有較高的殘壓。 ?。?）氧化鋅壓敏電阻：壓敏電阻通流能力較氣體放電管小,但反應速度更快,在毫秒到微秒之間。它的一個顯著缺點是電容較大，不適合在通訊線路中使用。 （3）瞬變電壓抑制二極管：基本原理是利用PN結的齊納效應，來達到電壓箝位目的。此器件優(yōu)點是靈敏度極高，缺點是通流能力小，適合做末端保護元件。 實用的浪涌保護器還往往是采用兩類保護器件的組合，粗保護實現(xiàn)較大的瀉流能力，細保護實現(xiàn)較低的電壓保護水平。 浪涌保護器結構與接地的考慮：過程控制系統(tǒng)的浪涌保護器按安裝地點分為現(xiàn)場型和控制室，設計時重點需要考慮安裝牢固、接地可靠。 現(xiàn)場型浪涌保護器需要能夠方便的固定，因此采用螺紋旋接在現(xiàn)場儀表的進線接口上，內(nèi)部瀉放電路的地通過不銹鋼殼與現(xiàn)場儀表的外殼地連接，另外還有專門的接地線擰在現(xiàn)場儀表內(nèi)部接地點上，實現(xiàn)雙重冗余接地。 控制室浪涌保護器以導軌安裝形式固定于控制柜的進線處。每個浪涌保護器如果通過端子逐個接地線，實際上加大了連線工作量。深圳萬訊公司采用導軌自然接地，將接地點通過金屬彈片引到DIN導軌上，整個導軌一次性接到接地母線上，實現(xiàn)“安裝即接地”，對快速安裝非常有利。 當然，作為過程控制系統(tǒng)的專用浪涌保護器，必須要符合浪涌保護器的通用要求，需要通過相應項目的測試。萬訊公司MSU全系列的浪涌保護器經(jīng)過信息產(chǎn)業(yè)部廣州防護性能檢驗中心的測試，符合《YD/T1542-2006 信號網(wǎng)絡的浪涌保護器基本要求和測試方法》標準的要求。 三 工程應用示例 江漢油田采油廠壓氣站位于湖北省潛江市，地位位置：東經(jīng)112.9度，北緯30.4度，屬于亞熱帶暖濕氣候。根據(jù)國標GB50343-2004公布的記錄數(shù)據(jù)，武漢年平均雷電日為34.2，宜昌年平均雷電日為44.7，潛江位于武漢與宜昌之間，雷電日應當在兩者之間，屬于雷電頻繁地帶。06年夏季雷擊造成，多種變送器損毀，控制室相應的儀表也損壞，直接經(jīng)濟損失十余萬。 壓氣站主要的工藝裝置為油氣反應容器與附屬管道，主要的監(jiān)測量為壓力，液位，溫度，流量，控制點為氣動調(diào)節(jié)閥。控制室與油氣罐群的最遠距離為100米上下，中間電纜連接采用地溝+架空橋架的方式布線。 《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057-1994(2000年版)對建筑物防雷的等級劃分，明確規(guī)定：工業(yè)企業(yè)內(nèi)有爆炸危險的露天鋼質(zhì)封閉氣罐……屬于第二類防雷建筑物。實際上，現(xiàn)場所有設備和建筑物全部有完善的避雷網(wǎng)和接地系統(tǒng)，因此直擊雷已經(jīng)得到有效防護。 顯然，06年夏季雷擊引起儀表裝置的損壞，是感應雷引起的。 根據(jù)現(xiàn)場勘察分析，防雷體系主要存在以下問題： ² 控制室電源線未裝浪涌保護器，一旦浪涌從電源線侵入，將危及控制室所有儀表 ² 溫度、壓力、流量、液位各種變送器以及電氣閥門轉換器也沒裝浪涌保護器，這是現(xiàn)場儀表受損的原因；相應的浪涌也通過控制室的信號線損壞了部分室內(nèi)儀表。 儀表的應用分布如下： 現(xiàn)場儀表（全部為兩線制）浮子液位變送器、壓力變送器、溫度變送器、漩渦流量計、氣動調(diào)節(jié)閥（電-氣轉換器） 控制室儀表：調(diào)節(jié)記錄儀、光柱控制儀、無紙記錄儀、流量積算儀 控制室電源：220V單相電 浪涌保護器配置方案 經(jīng)過深圳萬訊公司和油田儀表車間的商討，是采取“整體防御”的原則，在關鍵回路上加裝浪涌保護器，從而組成一個有效且經(jīng)濟的防雷系統(tǒng)。 地線處理：現(xiàn)場儀表接地通過儀表殼體與整個管道網(wǎng)絡、橋架連接，形成完善的接地網(wǎng)絡。實測接地電阻在0.5歐姆以內(nèi)。控制室原先就安排了4×40的扁鋼為接地母線，控制室浪涌保護器通過DIN導軌接地到母線上。實測接地電阻在0.2歐姆以內(nèi)。 改造后，壓氣站控制系統(tǒng)上電工作一切正常。 四 結束 深圳萬訊公司MSU系列浪涌保護器結合了過程控制的特點進行設計，在安裝和接地兩方面有妥善的考慮，因此在各個現(xiàn)場工程中能快捷的投入使用。而且，考慮到在石化行業(yè)很多需要在防爆現(xiàn)場應用，已經(jīng)有相當部分型號獲得國家本安防爆認證，為在石化行業(yè)進一步推廣鋪平了道路。 參考文獻 1.《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》GB50343-2004 2.《信號網(wǎng)絡的浪涌保護器基本要求和測試方法》YD/T1542-2006 過程控制系統(tǒng)的浪涌防護設計――在江漢油田壓氣站的工程應用 |
