仪表信号防雷在沼气工程中的应用

王 冲

(中国海诚工程科技股份有限公司，上海 200031)

1 引言

沼气工程中室外罐区仪表可能因受雷电影响，使得相应的自动控制系统出现故障，从而导致生产装置停车，造成安全事故或经济损失。为了更好的保障生命和财产的安全，在可能产生此类事故的区域，应考虑仪表信号的防雷措施。

仪表防雷是一个系统性的设计，包含等电位连接与接地、信号电缆的屏蔽与接地、仪表设备的屏蔽与接地、设置浪涌保护器等。此处仅针对在实际工程中容易忽视的一点即信号防雷浪涌保护器[1]进行阐述，分析其在实际工程中的应用。

2 浪涌保护器的分类及参数

雷电对工程仪表系统危害的根本原因在于雷电流和雷电电磁脉冲，而雷电流与雷电电磁脉冲是伴随发生，在一定条件下可以互相转换。雷电流由雷直接击打系统设备或线路产生，雷电电磁场内的线路上感应雷电浪涌，沿线路入侵设备而将设备损坏。

雷电浪涌可能造成仪表信号在传输过程中的不稳定、异常等；可能造成仪表、控制系统的损坏、降低使用寿命；破坏仪表系统整体安全性和稳定性，增加维护成本等。因而在可能受到雷电影响的区域，其自控仪表系统应采取一系列的防雷措施进行应对。一般仪表工程设计时会考虑整个仪表控制系统的保护接地和工作接地、采用仪表屏蔽电缆等，而信号浪涌保护器，特别是室外设置的信号浪涌保护器经常被忽略。

根据相关标准的定义，浪涌保护器(SPD)指用于限制瞬态过电压和分流电涌电流，保护电气或电子设备的器件[2]。

浪涌保护器根据其工作原理可分为三种类型：

电压开关型在没有瞬时过电压时为高阻抗特性，一旦响应雷电瞬时过电压，其阻抗就突变为低阻抗特性，允许雷电电流通过。

限压型在没有瞬时过电压时为高阻抗特性，但随电涌电流和电压的增加，其阻抗会不断减少。

组合型有电压开关型和限压型浪涌保护器的两种特性。

浪涌保护器根据其应用用途可分为两种类型：

电源型应用在供配电电源线路上。

信号型应用在仪表信号线路上，包括模拟量、数字量信号等。

浪涌保护器根据其接线方式可分为两种类型：

串联型与被保护的设备串联，对工作频率为低阻抗特性，而对雷电为高阻抗特性。

并联型与被保护的设备并联，对工作频率为高阻抗特性，而对雷电为低阻抗特性。浪涌保护器是目前电子设备雷电防护中不可或缺的一种装置，通过把线路中的瞬时过电压限制在可承受的范围内，或将强雷电流泄流入地，保护设备不受冲击。在常见的

工程仪表系统中使用的信号防雷浪涌保护器，其主要参数包括：

(1) 最大持续运行电压Uc：浪涌保护器长期工作的最大信号电压有效值或直流电压。

(2) 最大信号电流Ic：电涌防护器所在线路的最大工作信号电流。

(3) 标称放电电流In：浪涌保护器正常通过的最大电涌电流(8/20us)，是指浪涌保护器在通过8/20us标准实验波形电流规定的实验次数时，不损坏浪涌保护器的最大泄放电流。

(4) 响应时间：标准实验波形电压开始作用于浪涌保护器的时刻到浪涌保护器实际导通放电时刻之间的延迟时间。

在信号防雷浪涌保护器的选型时主要考虑以上几个参数，在保证安全的前提下同时考虑成本。对24V直流供电的仪表设备，其Uc一般不超过36V；而对于两线制及四线制的4～20mA信号的仪表设备，其Ic>=150mA；对于24V直流供电的，如电磁阀等线路，其Ic>=600mA；一般对仪表信号来说， In大于1kA即可满足防护要求，但实际使用中也可选择5kA，10kA等规格；响应时间是越小越好，信号防雷浪涌保护器的响应时间一般不超过5ns。

3 信号防雷浪涌保护器的设计原则

在工程设计中，仪表防雷设计应结合工程实际所在区域及工程的特点进行详细设计。对于沼气工程来说，因其生产过程及产品的特殊性，存在一些需考虑电气防爆的区域。这些区域一旦遭受雷击，可能会引发爆炸，在设计时需多方面考虑。

以某沼气工程厌氧罐区为例，由于罐内爆炸性气体沼气的存在，应根据爆炸性气体混合物出现的频繁程序和持续时间将爆炸性气体环境划分为0区、1区、2区，并配置相应的防爆设备[3]。同时，也可结合沼气工程的相关规范中的示意图对相关区域进行划分，如图1所示[4]。

1-厌氧消化器； 2-消化器基础； 3-2区

该工程厌氧消化器的高度H为22米，即从地面11米高度以上的所有仪表设备包括所需的信号浪涌保护器应选用满足2区防爆要求的设备，可选用隔爆型ExdIICT6 Gb。

对于此类有防爆要求的室外罐区，应更加注重设计仪表信号防雷，以应对突发情况。一般工程项目在考虑仪表信号防雷时主要考虑以下几个因素：

(1)雷电防护等级

在进行仪表系统的防雷设计时，首先应根据工程区域的雷电活动等级(少雷区、多雷区、高雷区、强雷区)及系统对社会、经济和安全重要程度分类(第一类、第二类、第三类)确定该区域的雷电防护等级。

该沼气工程所在区域为多雷区，系统对社会、经济和安全重要程度可定为第二类，由此确定该工程的雷电防护等级为二级。

(2)仪表防雷设计原则

仪表防雷的整体设计需同时考虑风险和投资，并结合同类项目的经验。根据规范：

防雷等级为一级的区域和控制室应实施仪表系统防雷工程。

防雷等级为二级的区域和控制室宜实施仪表系统防雷工程。

防雷等级为三级的区域和控制室可实施仪表系统防雷工程。

考虑该沼气工程项目的风险和业主投资情况，设置仪表系统防雷工程。

4 信号防雷浪涌保护器的应用

4.1 信号浪涌保护器的设置

该沼气工程项目厌氧罐区域的仪表露天布置，室外分布的仪表包括压力变送器、温度变送器、物位变送器、电磁流量计、质量流量计、气动调节阀、气动开关阀等，且信号敷设至控制室PLC机柜的距离比较远，故选择在现场仪表和控制室仪表两端设置信号浪涌保护器。

现场变送器的信号浪涌保护器选用装配式浪涌保护器，直接安装在现场仪表变送器上，也可采用内置集成式浪涌保护器；现场阀门的信号浪涌保护器选用导轨式浪涌保护器，安装在防爆接线箱内；控制室仪表端的信号浪涌保护器选用导轨式浪涌保护器，安装在控制机柜内，如图2所示。

现场侧的信号浪涌保护器应满足危险区域的防爆要求。该工程配置的信号浪涌保护器主要有以下类型：

(1) 4～20mA两线制

此类型信号浪涌保护器用于厌氧罐及管道上的压力变送器、温度变送器、物位变送器、阀位变送器等信号。

(2) 4～20mA四线制

此类型信号浪涌保护器用于室外管道上的电磁流量变送器及质量流量变送器信号。

(3)电磁阀两线制开关量

此类型信号浪涌保护器用于室外自动开关阀阀体上的24VDC电磁阀信号。

(4)限位开关两线制

此类型信号浪涌保护器用于室外自动开关阀阀体上的两线制接近式限位开关(电子开关)信号。

图2 信号浪涌保护器的应用

4.2 信号浪涌保护器的安装

装配式浪涌保护器可直接安装在现场变送器本体上，内置短接线与变送器连接，连接后与变送器可看作一体；此种类型的浪涌保护器无需单独接地，可通过变送器一起现场保护接地；信号浪涌保护器的的出线经金属管、桥架敷设至机柜室的PLC机柜内，与机柜侧的信号浪涌保护器连接，再输送至PLC信号卡件。

PLC柜内的导轨式信号浪涌保护器与柜内保护接地相连接，同时其工作接地由现场一直连接至PLC柜内，并通过机柜与仪表总工作接地连接。

现场导轨式浪涌保护器安装在现场接线箱内，接线箱与被保护仪表应尽可能接近，其连接电缆一般不超过5米，以保证防雷效果。此种类型的浪涌保护器可与接线箱、仪表在现场合并保护接地，其工作接地同样通过电缆敷设至机柜侧实现单点接地。

5 结束语

仪表系统防雷设计在整个自控系统的可靠性中占有重要地位，设计中应重视信号防雷保护器的应用，以提高项目的整体安全性和可靠性。仪表防雷设计时应结合相关规范和实际工程经验，综合考虑风险和投资水平，在保证安全的前提下避免浪费。