過程控制系統的浪涌防護設計
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一．過程控制防浪涌的必要性
近年來，隨著經濟發展和技術進步，過程工業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，現代電子設備的耐電壓沖擊能力卻顯著降低，雷電產生的瞬間浪涌（及其產生的電磁脈沖）對電子設備的損害成逐年上升趨勢。
過程工業本身的特點決定了對控制系統及儀表裝置對浪涌防護的需求：
? ＊設備分布廣泛，儀表與控制系統分布在數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。
? ＊工況環境惡劣，相當多的現場儀表工作在露天的無防護環境。
? ＊控制系統設備價值昂貴，一旦損毀，經濟損失大。
? ＊工藝停車事故造成的間接經濟損失巨大，修復再開車時間長。
雖然，浪涌危害直接體現在硬件方面的損失，然而更大的危害是設備停機所造成的潛在經濟損失。因此，對浪涌采取有效的防護是保證過程控制系統可靠運行*的環節。
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系統損壞。
? ＊江漢油田某采油廠，06年遭受雷擊，導致現場儀表與控制室儀表損壞多處。
到目前為止，郵電、電力、建筑等行業均出臺了成套的防雷技術規范標準，而工業自動化還缺乏一套完整的防雷技術規范，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的標準，這也是推廣過程控制系統防雷需要解決的問題。
二．浪涌保護器的設計
過程自動化系統有它本身的特點，它的設備眾多，涉及到現場的變送器（溫度、壓力、液位）、電動/氣動執行器、集散控制系統、PLC和常規控制儀表?，F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。可見過程控制系統的防雷是一個系統工程，從電源線路開始，到信息系統入口端，除考慮系統自身的防雷措施外，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。可見，浪用保護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。
?。?）氣體放電管：管內充有惰性氣體，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。
?。?）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。此器件優點是靈敏度*，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，粗保護實現較大的瀉流能力，細保護實現較低的電壓保護水平。
浪涌保護器結構與接地的考慮：過程控制系統的浪涌保護器按安裝地點分為現場型和控制室，設計時重點需要考慮安裝牢固、接地可靠。
現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場儀表的進線接口上，內部瀉放電路的地通過不銹鋼殼與現場儀表的外殼地連接，另外還有專門的接地線擰在現場儀表內部接地點上，實現雙重冗余接地。
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“安裝即接地”，對快速安裝非常有利。
當然，作為過程控制系統的浪涌保護器，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過*廣州防護性能檢驗中心的測試，符合《YD/T1542-2006 信號網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112.9度，北緯30.4度，屬于亞熱帶暖濕氣候。根據國標GB50343-2004公布的記錄數據，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，主要的監測量為壓力，液位，溫度，流量，控制點為氣動調節閥。控制室與油氣罐群的zui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。
《建筑物防雷設計規范》GB50057-1994（2000年版）對建筑物防雷的等級劃分，明確規定：工業企業內有爆炸危險的露天鋼質封閉氣罐……屬于第二類防雷建筑物。實際上，現場所有設備和建筑物全部有完善的避雷網和接地系統，因此直擊雷已經得到有效防護。
顯然，06年夏季雷擊引起儀表裝置的損壞，是感應雷引起的。 根據現場勘察分析，防雷體系主要存在以下問題：
? 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
? 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儀表。
儀表的應用分布如下：
現場儀表（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、氣動調節閥（電-氣轉換器）
控制室儀表：調節記錄儀、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濟的防雷系統?！ ?br /> 地線處理：現場儀表接地通過儀表殼體與整個管道網絡、橋架連接，形成完善的接地網絡。實測接地電阻在0.5歐姆以內?？刂剖以染桶才帕?×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。
改造后，壓氣站控制系統上電工作一切正常。
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，因此在各個現場工程中能快捷的投入使用。而且，考慮到在石化行業很多需要在防爆現場應用，已經有相當部分型號獲得國家本安防爆認證，為在石化行業進一步推廣鋪平了道路。
參考文獻
1.《建筑物電子信息系統防雷技術規范》GB50343-2004
2.《信號網絡的浪涌保護器基本要求和測試方法》YD/T1542-2006
