电涌防护器在石油化工装置中的应用

杨永鹏，何联合

(华陆工程科技有限责任公司，西安 710065)

随着化工装置向着大型化、一体化的方向转变，连续、安全、可靠的运行成为化工控制最基本的要求。近年来，由于自动化仪表系统遭受雷击或雷电电磁脉冲干扰造成装置、机组停运的情况屡有发生，防雷问题已经引起了有关方面的关注。笔者参与了珠海某石油化工项目的仪表防雷设计工作，在项目报批过程中，就仪表防雷问题与当地有关部门沟通过多次。期间，笔者查阅了多个相关规范，对防雷部门的要求进行了合理优化，最终该工程顺利通过了防雷审批。通过该项目，笔者对自控防雷设计及相关规范有了较深刻的认识。文中仅对自控防雷工程中的一个重点——电涌防护器应用的相关内容进行描述，希望对自控设计人员在电涌防护器的应用方面有所帮助。

1 电涌防护器的概念及分类

按照SH/T 3164—2012《石油化工仪表系统防雷工程设计规范》，电涌防护器(SPD)也可称为雷电浪涌防护器或浪涌防护器，IEC的定义为“用作限制瞬态过电压和泄放电涌(冲击)电流的装置，它至少应该包括一个非线性的元件”。

1) 按工作原理， SPD可以分为电压开关型、限压型及组合型3种。

a) 电压开关型SPD。在没有瞬时过电压时呈现高阻抗，一旦响应雷电瞬时过电压，其阻抗就突变为低阻抗，允许雷电流通过，也被称为“短路开关型SPD”。

b) 限压型SPD。当没有瞬时过电压时为高阻抗，但随电涌电流和电压的增加，其阻抗会不断减小，其电流电压特性为强烈非线性，有时被称为“钳压型SPD”。

c) 组合型SPD。由电压开关型组件和限压型组件组合而成，可以显示为电压开关型或限压型或两者兼有的特性，这取决于所加电压的特性。

2) 按接线方式，SPD可分为分流型和扼流型。

a) 分流型SPD。与被保护的设备并联，对雷电脉冲呈现为低阻抗，而对正常工作频率呈现为高阻抗。

b) 扼流型SPD。与被保护的设备串联，对雷电脉冲呈现为高阻抗，而对正常的工作频率呈现为低阻抗。

3) 按用途分类， SPD可以分为电源线路型和信号线路型2种。电源线路型SPD指安装在供配电线路上的SPD，这也是传统SPD的主要用途。信号线路型是近些年新推出的，专用在仪表信号等弱电信号回路中。除特殊说明外，本文着重介绍自控专业常用的信号线路型。

2 SPD的主要参数及选型

2.1 主要参数

1) 标称放电电流In： 是指SPD不损坏的最大电涌电流， 即SPD在通过标准实验波形电流(规定为8/20 μs电流波)和规定实验次数时，电涌电流的最大泄放能力。IEC规定常见的In值有0.05，0.10，0.25，0.50，1.00，1.50，2.00，2.50，3.50，10，15，20 kA。

2) 最大放电电流Imax： 又称为最大通流量，指使用8/20 μs电流波冲击，SPD能承受的最大放电电流。

3) 最大信号电流Ic： 指SPD所在线路的最大工作信号电流。对于两线制、三线制、四线制的4～20 mA信号的仪表，Ic≥150 mA。对于24 V(DC)供电路线，如电磁阀、超声波仪表、可燃气体检测器等仪表，Ic≥600 mA。

4) 残流Ires： 对SPD不带负荷，施加最大持续工作电压Uc时，流过接地端子的电流。

5) 最大持续运行电压Uc： 指允许持续加在SPD的最大电压(交流电压有效值或直流电压)，也称最大工作电压。

6) 残压Ures： 指在In流过时，SPD端子电压的峰值。Ures是确定SPD的过电压保护水平的重要参数。

7) 限制电压： 即最大残压值，对同一SPD，其正向和反向的残压值可能不相同，以其最大值作为其限制电压。

8) 保护电压Up： 表征SPD限制接线端子间的电压特性参数，其值可从样本列表中选取，应大于限制电压的最高值。SPD的实际限制电压值都不应大于这个规定的保护水平。

9) 插入损耗Ae： 在给定频率下SPD安装前后的电压比率，一般来说，Ae越小，信号衰减越慢。在选择信号SPD时，应选用Ae较小的SPD(要求Ae≤0.3 dB， ≤0.5 dB或≤3 dB)。

10) 响应时间： 从暂态过电压开始作用于SPD的时间到SPD实际导通放电时刻之间的延迟时间，称为SPD的响应时间，其值越小越好，通常限压型SPD响应时间短于开关SPD。

2.2 选 型

在SPD选型前，需要明确： 10/350 μs波形是模拟直击雷的波形，波形能量大；8/20 μs波形是模拟雷电感应和雷电传导的波形。信号回路SPD实验的模拟波形均为8/20 μs波；电压开关型SPD主要泄放的是10/350 μs电流波，限压型SPD主要泄放的是8/20 μs电流波。

SPD选型时主要考虑的参数有In，Uc，Up和响应时间等，In，Uc和Up越大越好，但过分放大会导致过度防护，造成用户成本的上升。一般来说，In大于1 kA即可满足防护要求，但可选择5 kA，10 kA等规格(也可自行从IEC推荐数值中选择)；Uc的值应大于被保护设备的正常工作电压或供电线路电压波动的最大值，对24 V(DC)供电的仪表，Uc一般为30 V(DC)。对24 V(DC)供电的仪表，Up一般是工作电压的2～2.5倍，即为48～60 V(DC)；对交流供电仪表，Up一般取正常工作电压的2～2.5倍，并应该小于被保护设备耐压水平的80%；响应时间一般是越小越好，典型值为10～100 ns。

SPD有多种类型，以匹配不同的信号。对供电电压为24 V(DC)的两线制、三线制、四线制的4～20 mA信号仪表，其回路直流电源属于信号供电，应配备信号类型的SPD；四线制直流供电电源属于直流电源类型，应配备直流电源类型的SPD；对于220 V(AC)供电仪表，除配备4～20 mA信号线路型SPD外，还应该配电源线路型SPD。

另外，在SPD选型时应该注意，安装在现场侧的SPD应该满足对应危险区域的防爆认证。用于爆炸危险环境一区的SPD，应通过国家或国际测试机构，取得相关危险区域的本质安全认证证书，该认证仅涉及SPD为本质安全仪表；用于爆炸危险二区的SPD，应取得相关的隔爆认证证书。

3 SPD的设置、安装及接线

防雷工程的设计应根据目标的具体情况，综合考虑雷击事件的风险和投资条件，确定合适的防护范围和目标，采用适宜的防护方案，经济有效地防护和减少仪表系统雷击事故的损失。设计中一般遵循文献[1]的要求： 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。

3.1 SPD的设置原则

3.1.1现场仪表侧SPD的设置原则

1) 当信号电缆在地面以上敷设的水平直线距离大于100 m或垂直距离大于10 m时，现场仪表和中心控制室或现场机柜间仪表两侧宜设置SPD。

2) 安全仪表系统的现场仪表侧应该设置SPD。但连入安全仪表系统的现场触点开关和来自配电室的信号侧可不设置SPD。

3) 变送器现场侧应设置SPD。变送器包括温度变送器、压力变送器、流位变送器和阀位变送器等。

4) 电气转换器、电气阀门定位器、电磁阀等现场电信号执行器类仪表侧应设置SPD。另外，限位开关是否设置SPD应该根据开关的形式(电子开关，触点开关)确定。

5) 热电阻现场端应设置SPD。

6) 电子开关现场端应设SPD。电子开关指所有具有SPDT或DPDT输出的开关(非机械式)，如液位开关、压力开关、namur式或接近式的限位开关等。

7) 热电偶现场端可不设置SPD。

8) 触点开关现场端不应设置SPD。触点开关主要是指机械式的限位开关，如电接点压力表，电接点温度计等。

9) 配电间及电气控制室来的机泵信号可不设置SPD。如果配电间或电气控制室到中心控制室(现场机柜间)的距离超过100 m，则应在中心控制室(现场机柜间)侧设置SPD。

3.1.2中心控制室(现场机柜间)侧SPD的设置原则

按文献[1]的要求，仪表系统的同一信号线路端，只设一级SPD。如果现场仪表侧设置了SPD，则中心控制室(现场机柜间)侧也应设置SPD。如果现场仪表侧未设置SPD，但从现场仪表到中心控制室(现场机柜间)的水平距离超过100 m，则在中心控制室(现场机柜间)侧应设置SPD。

3.1.3现场总线系统SPD的设置原则

对现场总线系统，在设置SPD时要明确以下几点：

1) 当现场分支线路(指从现场仪表到现场总线接线盒之间的线路)在地面以上敷设的水平直线距离大于100 m或垂直距离大于10 m时，应在总线两端的现场总线仪表和设备(指现场总线接线盒)间设置SPD。

2) 现场总线干线连接着主控制器的总线接口卡(H1卡)和现场的总线分支设备，总线干线两端包括延伸段，应该设置SPD。

3) 如果现场总线分支模块是不带电子电路的简单连接，可以不设分支模块端的SPD，但当现场分支电缆在地面以上敷设的水平直线距离大于100 m或垂直距离大于10 m时，应在分支模块端设置SPD。

4) 对于现场总线分支模块是带电子电路的智能分支模块，如果现场仪表侧设置了SPD，分支模块端也应设置SPD。

现场总线系统中，常规的通用SPD不适用于现场总线系统，除非产品标明适用于现场总线。现场仪表侧SPD的设置可参考本文3.1.1进行。

3.1.4通信设备SPD的设置

如果工艺装置现场有成套设备的控制系统，并与控制室进行通信，在通信线路两端应设置相应信号类型的SPD。如果采用光纤通信，光纤两端可不设置SPD。

3.2 SPD的安装及接线

3.2.1现场仪表侧SPD的安装及接线

一般来说，SPD的输出端应与被保护设备的电气接口直接相连，尽可能减少从SPD到被保护设备的距离，现场侧的SPD有串联和并联之分，如果采用串联方式，SPD的输出端接现场仪表侧，输入端去控制室，此时，SPD采用通用型，安装在专用的保护箱中。文献[1]要求并联安装的SPD的输出端至现场仪表间的导线总长度不大于0.5 m，串联安装的SPD到现场仪表之间的导线长度不大于5 m。

3.2.2中心控制室(现场机柜间)侧SPD的安装及接线

中心控制室或现场机柜间侧的SPD均串联在回路中，并且其输入端应接现场侧的信号，输出端接控制系统的IO卡柜。SPD应该安装在单独的机柜中或独立的导轨上。

1) 对非本安系统，SPD可利用单独的导轨直接安装在机柜中，其输出信号直接去系统IO卡件。现场来的电缆直接接至SPD的输入端，电缆的屏蔽层可以直接接至机柜的工作接地汇流板上。

2) 对本质安全系统，SPD不是本质安全系统的安全栅，二者不能相互代替。设置有SPD的电路在不受雷电电涌影响时，电路应该是本质安全的。即对本安系统，SPD的设置不应破坏原有线路的本安特性，设计完成后如有必要，可以对整个回路进行本安回路计算验证。

3) 本质安全系统的SPD安装时，SPD和安全栅(BR)可以分开装在不同的机柜中，也可以混装在同一面机柜中，但应该安装在独立的导轨上。

3.2.3现场总线系统SPD的安装及接线

现场总线系统SPD的安装可分为两部分： 现场仪表侧部分和现场接线盒及控制系统。现场仪表部分SPD的安装可参考本文3.2.1条；现场接线盒及控制机柜部分SPD的安装，按目前的惯例，均由DCS成套，SPD均采用独立的导轨安装方式。

应当注意的是，在现场总线接线合内安装的SPD，应该满足对应危险区域的防爆认证。

主控制器总线接口卡处和智能分支模块处的SPD均串联在电路中。

3.3 SPD的接地

SPD的接地基本原理如图1所示。

图1 SPD接地示意

当被保护设备设置SPD后，被保护设备的保护接地应和SPD的接地线良好连接，并接地，SPD的接地连线应为截面积2.5 mm2的多股绞合绝缘铜线。现场仪表侧的接地连接导线截面积为4～6 mm2，该接地线就近接至电气的防雷接地网上。

对现场总线接线箱内的SPD，可通过SPD的接地端子或安装导轨与接线箱的保护接地端子相连，并把接线箱的保护接地就近接到电气的防雷接地网上来实现。

控制室侧SPD的接地，可以通过安装导轨和机柜的保护接地汇流排直接连接来实现，电缆截面积为4～6 mm2。对大型控制室，有多个SPD机柜的情况下，从机柜保护接地汇流排到保护接地排的间距不宜大于0.5 m，最大间距不宜大于3 m(接地电缆截面积为6～16 mm2)，可以采用分组接地排的模式来实现。

4 结束语

该项目于2013年6月开车并投产，稳定运行一年多来，取得了可观的经济效益和社会效益，充分证明了仪表防雷设计是相对成功的。

仪表防雷设计是近年石油化工项目出现的一个较新的内容，越来越多的石油化工项目在消防报批时都会涉及防雷设计，作为一名自控工程技术人员，有必要熟悉仪表防雷设计规范并进行合理的防雷设计。设置SPD是仪表防雷工程各项工作中的重中之重，但不能取代仪表防雷工程的其他内容。合理正确地设置SPD，使之既能符合规范要求，又要防止过度防护，造成浪费。

参考文献：

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