摘要: 分析了雷电及浪涌对空分设备仪控系统的危害, 以海南炼化8000m3 / h 纯氮设备为例介绍了仪表及DCS 系统的防浪涌设计方案、
MTL 防浪涌器的性能参数及其具体应用。
海南省雷电灾害极其严重, 各市县年均雷暴天气均在100 天以上, 最多达149 天。据不完全统计, 每年因雷击造成直接经济损失达数千万元。雷电及浪涌往往会对空分设备的就地变送器、控制阀门、电磁阀、DCS 系统各类I/ O 卡件及控制器、配电柜等造成破坏, 直接导致空分设备不能稳定、可靠地运行。因此对频繁雷电区的空分设备仪控系统进行防雷及防浪涌设计非常必要。
1 雷电和浪涌对仪控系统的破坏形式根据不同的防雷级别, 一般短时间雷击的峰值电流在100～200kA , 长时间雷击的平均电流为200～400A。不难看出雷击时产生的雷击电流非常大。
雷电及浪涌对空分设备及仪表的破坏主要形式为直击雷破坏和感应雷击破坏。由于雷电发生时直接产生高电压和大电流, 会引起地电位浮动而导致雷电反击, 造成直击雷破坏。
而感应雷击是当雷电发生时产生强大的瞬变电流, 引起电磁场的瞬间变化, 会在现场仪表和仪表的信号线闭合回路产生感应电势(电流) , 或产生耦合效应(电磁耦合) 。当产生的电势或电流超过仪表或DCS 系统的I/ O 卡件本身所能承受的量(一般为±5V 内) , 使其造成损坏。
精馏塔、DCS 系统控制室以直击雷破坏为主,现场仪表、DCS 系统的I/ O 卡件等以感应雷击破坏为主。
无论是直击雷还是感应雷都会对空分设备仪控系统造成破坏, 导致整套空分设备不能安全、可靠地运行。
2 仪控系统的防浪涌设计
2.1 控制室设计方案
精馏塔和控制室建筑遭雷击破坏形式主要是直击雷破坏。其防雷设计一般为: 由避雷网(带) 、避雷针或混合组成的接闪器、立柱基础的钢筋网与钢屋架、屋面板钢筋等构成一个整体, 避雷网通过全部立柱基础的钢筋作为接地体, 将强大的雷电导入大地。其设计依据: GB 50057 —1994《建筑物防雷设计规范》和GB 50174 —1993《电子计算机机房设计规范》等标准, 并在工程建筑施工中完成。
2.2 仪表及DCS 系统设计方案现场仪表、DCS 系统的I/ O 卡件及配电回路等遭雷击破坏主要以感应雷击破坏为主, 其防雷设计至今还没有相应设计标准和规范, 主要是通过配置专门的防浪涌保护器(SPD) 及可靠接地来实现。
防浪涌器是一种限制瞬态过电压和分走浪涌电流的器件。现在市场上这类产品很多, 如MTL 、GE 等。根据信号和用途主要分为现场仪表防浪涌器、电源防浪涌器、I/ O 信号防浪涌器及通信线路防浪涌器。下面以海南炼化8000m3 / h 纯氮设备为例, 具体介绍MTL 防浪涌产品在空分设备上的应用。
2.2.1 防浪涌器总体结构
要使整套空分设备的仪控系统在雷区安全、可靠运行, 必须保证现场仪表、控制和供电回路、DCS 系统及I/ O 卡件等安全、可靠运行。防浪涌器的总体结构: 现场仪表设置防浪涌器; 仪表控制回路中进出I/ O 卡件端设防浪涌器; 现场供电仪表的供电开关设置防浪涌器。但对同一控制室的DCS系统机旁柜之间、DCS 系统机旁柜与配电柜之间的信号回路可视为等电势回路, 可考虑不采用SPD进行防雷保护(如图1 所示) 。
图1 防浪涌器的总体结构
2.2.2 MTL 防浪涌器的性能参数
在海南炼化8000m3 / h 纯氮设备上所使用的防浪涌器总共有7 种类型, 分别为使用在现场仪表的TP48 , AI、AO、DI 信号模块SD32X , RTD 信号模块SDRTD , DO 信号模块SD275X , 220VAC 开关模块MA15D , 24VDC 电磁阀供电开关模块SLP32D 以及MODBUS RS485 通讯模块SD32R 产品。各防浪涌模块的性能参数见表1。
表1 MTL 防浪涌器的性能参数
型号 |
最大浪涌 电流/ kA |
工作电 压/ V |
载荷电 流/ A |
正常电 阻/Ω |
最大持续 电压/ V |
极限电 压/ V |
波宽
/ kHz |
| TP48 |
10 |
最大 48 |
|
无阻值 |
|
|
1000 |
| SD32X |
10 |
32VDC |
014 |
212 |
36 |
60 |
25 |
| SDRTD |
10 |
1VDC |
1～10 |
217 |
717 |
30 |
50 |
| SD275X |
10 |
240VAC |
3 |
011 |
275 |
850 |
4000 |
| MA15D |
18 |
240VAC |
15 |
|
|
|
|
| SLP32D |
20 |
32VDC |
115 |
20 |
32 |
|
|
| SD32R |
10 |
32VDC |
014 |
10 |
36 |
60 |
50 |
3 防浪涌器的应用
3.1 TP48
防浪涌器的应用
对于空分设备中的变送器 、电磁阀 、定位器和 电磁流量计等现场仪表 , 如果本身带有防雷功能 ,则不另配 MTL 防浪涌器 ; 如果本身不带防雷功能 , 则采用 TP48 防浪涌器 。其通过 1/ 2NPT 螺纹直接连 接在就地变送器或定位器等上 , 其接地端与仪表的 金属外壳接地相连 (如图 2 所示) 。
图 2 TP48
接线图
3.2 SD32X 防浪涌器的应用
模拟量 AI 或 AO 、开关量 DI 输入等两线制信 号 , 在 进 出 DCS 系 统 卡 件 之 前 , 每 个 通 道 采 用SD32X 防浪涌器进行防雷 (如图 3 所示) 。
图 3 SD32X
接线图
3.3 SDRTD 防浪涌器的应用
PT100 三线制电阻信号在进 DCS 系统卡件之 前 , 每个通道采用 SDRTD 防浪涌器进行防雷 (如图 4 所示) 。
图 4 SDRTD 接线图
3.4 SL P32D 和 MA15D 防浪涌器的应用
海南炼化 8000m3 / h 纯氮设备中所有的阀门电 磁阀采用 SMC 产品 , 其电压等级为 24VDC , 采用每个电磁阀由单独空气开关供电 。其防浪涌采用空 气开关与 DCS 系统的 DO 继电器触点串联后 , 通过SLP32D 防浪涌器后连接到阀门电磁阀上 ( 如图 5所示) 。
图 5 SL P32D
接线图
对于现场机旁柜 、电磁流量计等 220VAC 供电 的仪表 , 采用空气开关经过 MA15D 防浪涌器后再连接到现场供电 (如图 6 所示) 。
图 6 MA15D 接线图
3.5 SD275X
防浪涌器的应用
对于去电控或仪表柜控制回路如膨胀机机旁柜 的报警触电等的 DO 点 , 其在控制回路工作电压为220VAC , 频 率 为 50Hz , 采用 DO 继电器触点接SD275X 防浪涌器 (如图 7 所示) 。
图 7 SD275X 接线图
3.6 SD32R
防浪涌器的应用
该海南炼化 8000m3 / h 纯氮设备的空压机为进 口产品 , 空压机的控制由自带的 PLC 完成 , 其与DCS 系统采用 RS485 、Modbus 通讯协议 , 在二线制 通讯线的两端都设置 SD32R 的防浪涌器 , 对两侧 的通讯卡进行防雷保护 (如图 8 所示) 。
图 8 SD32R 接线图
在实际应用中要注意以下几点 :
①要根据信号 类型正确选择防浪涌产品 , 特别注意工作电压等 级 ;
②每个防浪涌器接地端连接到导轨上后由导轨 汇总到接地条 , 接地电阻要根据不同的防雷产品而 定 , 且与电控接地分开 ;
③在仪控系统设计时 , 尽 量减少就地仪表柜或机旁柜 , 使控制信号直接由中 控室送到被控对象 , 以减少回路中使用防浪涌器的 数量 , 节约成本 , 提高装置可靠性 ;
④在进整个仪 表系统供电的 UPS 之前要加装防浪涌器 , 其电压 等级为 380VAC , 三线制进线 , 使供电的防雷更为 可靠 。
4 结束语
通过对雷电及浪涌的原因分析及防浪涌器在海南炼化 8000m3 / h 纯氮设备上应用 , 为今后空分设 备仪控系统的防雷设计提供了经验和参考 。在频繁 雷区对空分设备和仪表 、控制系统采用防雷 、防浪 涌措施 , 能减少或消除空分设备的雷电事故 , 使空 分设备长周期稳定 、安全运行 。
