过程控制系统的浪涌防护设计

过程控制系统的浪涌防护设计――在江汉油田压气站的工程应用 *作者 江汉油田采油厂压气站 张在友  第二作者 深圳万讯自控有限公司 熊轩  摘要：本文论述了过程控制系统防浪涌的必要性，重点介绍浪涌保护器的原理和过程控制的应用特点，通过举例说明了在油田现场的工程应用。  关键词：过程控制 浪涌保护器 接地  一．过程控制防浪涌的必要性  　　近年来，随着经济发展和技术进步，过程工业的自动化程度迅速提高，精密的电子信息设备在过程控制领域广泛地应用。然而，随着集成度的提高，现代电子设备的耐电压冲击能力却显著降低，雷电产生的瞬间浪涌（及其产生的电磁脉冲）对电子设备的损害成逐年上升趋势。  过程工业本身的特点决定了对控制系统及仪表装置对浪涌防护的需求：  设备分布广泛，仪表与控制系统分布在数百米甚至更大的空间许多工艺装置高耸于地面，容易遭受雷击。  工况环境恶劣，相当多的现场仪表工作在露天的无防护环境。  控制系统设备价值昂贵，一旦损毁，经济损失大。  工艺停车事故造成的间接经济损失巨大，修复再开车时间长。  　　虽然，浪涌危害直接体现在硬件方面的损失，然而更大的危害是设备停机所造成的潜在经济损失。因此，对浪涌采取有效的防护是保证过程控制系统可靠运行不可缺少的环节。  下面仅仅是深圳万讯公司直接获知的几个浪涌危害的案例  上海某化工厂05年遭受雷击，导致DCS停机，板卡损坏  湖南娄底某电厂，06年多次遭受雷暴，液位测量仪表损坏，DCS 的I/O系统损坏。  江汉油田某采油厂，06年遭受雷击，导致现场仪表与控制室仪表损坏多处。  　　到目前为止，邮电、电力、建筑等行业均出台了成套的防雷技术规范标准，而工业自动化还缺乏一套完整的防雷技术规范，设计院的电气、仪表设计人员在考虑防雷问题时只能参考其他行业的标准，这也是推广过程控制系统防雷需要解决的问题。  二．浪涌保护器的设计  　　过程自动化系统有它本身的特点，它的设备众多，涉及到现场的变送器（温度、压力、液位）、电动/气动执行器、集散控制系统、PLC和常规控制仪表。现代的过程控制还引入了多种通讯技术。可以说过程控制是信号错综复杂，设备分布广泛，因此需要一套完整的保护体系。可见过程控制系统的防雷是一个系统工程，从电源线路开始，到信息系统入口端，除考虑系统自身的防雷措施外，还应与建筑物防雷、接地设计等相互配合，同时还要兼顾信号系统的电磁兼容的要求。  　　浪涌防护基本原理—为浪涌电流提供一条对地泄放的合理的阻抗路径。可见，浪用保护器的可靠接地是至关重要的。  　　浪涌保护器（SPD surge protect device）又称为避雷器、防雷栅、浪涌抑制器，其的核心功能是泄流与限压。目前，浪涌保护器采用的浪涌抑制器件有气体放电管、氧化锌压敏电阻、齐纳二极管等。  　　（1）气体放电管：管内充有惰性气体，没有浪涌电压时，放电管的阻抗非常大。当浪涌电压侵入时，放电管里的两极间气体发生电离，此时两极间阻抗降低，给浪涌提供泄放通道。它的浪涌吸收能力大，泄放电流可大于数十千安，但它对浪涌电压响应速度较慢，有较高的残压。  　　（2）氧化锌压敏电阻：压敏电阻通流能力较气体放电管小,但反应速度更快,在毫秒到微秒之间。它的一个显著缺点是电容较大，不适合在通讯线路中使用。  　　（3）瞬变电压抑制二极管：基本原理是利用PN结的齐纳效应，来达到电压箝位目的。此器件优点是灵敏度极高，缺点是通流能力小，适合做末端保护元件。  实用的浪涌保护器还往往是采用两类保护器件的组合，粗保护实现较大的泻流能力，细保护实现较低的电压保护水平。  　　浪涌保护器结构与接地的考虑：过程控制系统的浪涌保护器按安装地点分为现场型和控制室，设计时重点需要考虑安装牢固、接地可靠。  　　现场型浪涌保护器需要能够方便的固定，因此采用螺纹旋接在现场仪表的进线接口上，内部泻放电路的地通过不锈钢壳与现场仪表的外壳地连接，另外还有专门的接地线拧在现场仪表内部接地点上，实现双重冗余接地。  　　控制室浪涌保护器以导轨安装形式固定于控制柜的进线处。每个浪涌保护器如果通过端子逐个接地线，实际上加大了连线工作量。深圳万讯公司采用导轨自然接地，将接地点通过金属弹片引到DIN导轨上，整个导轨一次性接到接地母线上，实现“安装即接地”，对快速安装非常有利。  　　当然，作为过程控制系统的专用浪涌保护器，必须要符合浪涌保护器的通用要求，需要通过相应项目的测试。万讯公司MSU全系列的浪涌保护器经过信息产业部广州防护性能检验中心的测试，符合《YD/T1542-2006 信号网络的浪涌保护器基本要求和测试方法》标准的要求。  三 工程应用示例  　　江汉油田采油厂压气站位于湖北省潜江市，地位位置：东经112.9度，北纬30.4度，属于亚热带暖湿气候。根据国标GB50343-2004公布的记录数据，武汉年平均雷电日为34.2，宜昌年平均雷电日为44.7，潜江位于武汉与宜昌之间，雷电日应当在两者之间，属于雷电频繁地带。06年夏季雷击造成，多种变送器损毁，控制室相应的仪表也损坏，直接经济损失十余万。  　　压气站主要的工艺装置为油气反应容器与附属管道，主要的监测量为压力，液位，温度，流量，控制点为气动调节阀。控制室与油气罐群的zui远距离为100米上下，中间电缆连接采用地沟+架空桥架的方式布线。  　　《建筑物防雷设计规范》GB50057-1994（2000年版）对建筑物防雷的等级划分，明确规定：工业企业内有爆炸危险的露天钢质封闭气罐……属于第二类防雷建筑物。实际上，现场所有设备和建筑物全部有完善的避雷网和接地系统，因此直击雷已经得到有效防护。  　　显然，06年夏季雷击引起仪表装置的损坏，是感应雷引起的。 根据现场勘察分析，防雷体系主要存在以下问题：  ? 控制室电源线未装浪涌保护器，一旦浪涌从电源线侵入，将危及控制室所有仪表  ? 温度、压力、流量、液位各种变送器以及电气阀门转换器也没装浪涌保护器，这是现场仪表受损的原因；相应的浪涌也通过控制室的信号线损坏了部分室内仪表。  　　仪表的应用分布如下：  现场仪表（全部为两线制）浮子液位变送器、压力变送器、温度变送器、漩涡流量计、气动调节阀（电-气转换器）  控制室仪表：调节记录仪、光柱控制仪、无纸记录仪、流量积算仪  控制室电源：220V单相电  浪涌保护器配置方案  　　经过深圳万讯公司和油田仪表车间的商讨，是采取“整体防御”的原则，在关键回路上加装浪涌保护器，从而组成一个有效且经济的防雷系统。　　地线处理：现场仪表接地通过仪表壳体与整个管道网络、桥架连接，形成完善的接地网络。实测接地电阻在0.5欧姆以内。控制室原先就安排了4×40的扁钢为接地母线，控制室浪涌保护器通过DIN导轨接地到母线上。实测接地电阻在0.2欧姆以内。  　　改造后，压气站控制系统上电工作一切正常。 四　结束  　　深圳万讯公司MSU系列浪涌保护器结合了过程控制的特点进行设计，在安装和接地两方面有妥善的考虑，因此在各个现场工程中能快捷的投入使用。而且，考虑到在石化行业很多需要在防爆现场应用，已经有相当部分型号获得国家本安防爆认证，为在石化行业进一步推广铺平了道路。  参考文献  1.《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004  2.《信号网络的浪涌保护器基本要求和测试方法》YD/T1542-2006 过程控制系统的浪涌防护设计――在江汉油田压气站的工程应用