《泵房水池水位变送器的雷电防护--胡远京》由会员分享，可在线阅读，更多相关《泵房水池水位变送器的雷电防护--胡远京（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、泵房水池水位变送器的雷电防护泵房水池水位变送器的雷电防护-胡远京胡远京泵房水池水位测量系统的雷电防护摘 要 本文对泵房的高位水池液位变送器因雷电造成损坏的原因进行分析，探讨了 420mA 仪表系统在野外环境下的防雷接地措施，并提出有益的建议。关键词仪表 防雷 接地一、概述我厂的供水管网中泵房较多，并且泵房都采用水池蓄水供水方式。蓄水池与泵房相隔较远，运行人员通过水池水位进行相关操作，蓄水池的水位监测对于用户的稳定用水、水泵的经济运行非常重要。以前泵房水池水位采用浮球式，只能提供低水位和高水位报警，不能满足运行人员对水位监控的及时性需要，随着供水量的逐渐增大和波动性变化，无法保证水池水位控制在合
2、理范围内，即难以保证用水户的稳定供水，又易发生水池溢流跑水现象。为此需要能够及时检测水池水位的测量装置，根据测量介质和使用要求，我们选择可靠性和稳定性较好、精度较高、安装简便的投入式水位测量变送器做为水位测量传感器，通过电缆或者沿途通信线缆接至泵房数显表，整个回路为 420mA 仪表系统。经改造投运后使用效果一直较好，但是一遇到雷雨季节，经常发生变送器或者数显表被雷击坏的情况，针对此现象，我们通过对雷电对测量系统造成危害的原因进行分析，寻找良好的防雷接地措施，最终确定了解决方法和措施。二、雷电对测量系统产生危害的原因分析根据相关资料和原变送器损坏原因查找，分析主要的雷电形式及对变送器破坏有以下
3、几种情况：1、雷电直接对水位测量系统放电的直击雷。变送器、数显表、信号线缆输入输出线等电气连接装置直接遭受带电云气团放电。防护水位测量系统直接雷击的（唯一）有效方法是在可能遭受雷电的设备上方装设避雷针、避雷线（或消雷器） 。由于水泵房大多位处偏远位置，变送器和信号线缆安装在野外，且地理位置相对较高，受地理条件限制，在可能遭受雷电的变送器和线缆上方装设避雷针、避雷线（或消雷器）费用较高，并且设备被雷电直接击中的概率非常的低（可能百年一遇） ，所以在野外设施上没有必要再做其他专门针对直接雷击的防护措施。2、雷电感应产生的浪涌电流对水位测量系统的损害。浪涌电流的产生主要是由雷云的静电感应和雷云放电的
4、电磁感应引起。静电感应是指当带有大量电荷的雷云出现在室外设备及线缆上空时，在其下方的设备及线缆金属导体表面会感应出与雷云下端电荷异号的电荷。雷云放电（云间） ，其雷云下端电荷迅速消失，而金属导体上的感应电荷不能立即消失，就对地构成几百千伏的高电位。静电感应的过电压波就可能通过金属线缆和数显表、变送器设备入地。雷电流可高达几千安，甚至几百千安。另外当雷电在雷云之间或雷云对地放电时，在其放电通道周围产生强烈的雷电电磁场（电磁场强度和放电电流成正比，和距离平方成反比） ，处在该电磁场作用下的金属线缆因切割磁力线会感应出的数以千伏的浪涌电压，金属线缆通过变送器和数量表之间形成了一个流通的闭合回路，则感
5、应电压会在回路内形成闭合电流。上述原因造成的浪涌电流，其特点是上升沿的变化速度快（前沿时间为 s 级） ，瞬态功率大，峰值高，形成对仪表的强大冲击。下图为感应雷电流的波形（8/20s 电流波） 。由于电子器件的高集成度使其对过电压和外来热量的承受能力的降低，当电流幅值很高的浪涌电流侵入时，变送器和数显表中电路板的集成块极易被烧毁。感应雷虽然没有直接雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多，所以威胁最大。3、雷电流通过数显表交流电源侵入水位测量系统造成的顺坏。由于供水管网的泵房的地理位置，供电线路大都数是架空线，线路和变压器一般配有避雷器，通过接地引流入地，只要保证避雷器和接地的良好状态就能避免绝大
6、部分雷击的损害。我厂水泵房水池大多位处偏远，且地理位置相对较高，属于雷电频发地区；所以泵房水位测量系统必须具备一个针对性很强的防雷电和过电压措施。 通过以上分析，雷电对水位测量系统造成毁坏的主要原因是由于静电感应和电磁感应引起的浪涌电流，必须采用有效的措施防止和消除浪涌电流对系统的损坏。三、系统防雷措施按照防护范围可将弱电设备的防雷措施分为两类，外部防护和内部防护。外部防护是指对水泵房和安装变送器水池的建筑物本体安全防护，一般采用避雷针和接地网等措施，由于部分泵房和水池修建年代久远，其接地电阻和避雷措施难以达到要求，并且改造困难。外部防护的目的是将主要的雷电流引人大地，防止直击雷的损害，同时利
7、用建筑物中的金属部件以及钢筋起到一定的屏蔽作用，因此，根据现场实际未对泵房和水池采取外部防雷措施。内部防护主要有线缆屏蔽、信号部分保护（安装 SPD） 、电源部分防护。做为雷电损害产生的主要原因是浪涌电流，我们针对此类情况主要采用内部防护。如下：1、信号线缆采用屏蔽电缆对信号电缆的屏蔽，许多行业规范（如国家石油和化学工业局于 2000 年发布的仪表系统接地设计规定（HG/T 20513-2000） ）对屏蔽电缆的接地，原则上是规定一端接地，另一端悬空。在雷击时屏蔽层与地构成了环路，感应出一电流，该电流产生的磁通抵消或部分抵消雷击的源磁场的磁通，从而抑制或部分抑制信号线缆所感应的电压。信号线缆的
8、选择应从实用、经济和抗干扰这三个方面考虑，其中应以抗干扰能力放在首位。由于泵房和水池距离较远，有的线缆距离甚至长达上千米。一般数显表的负载电阻为 250，为保证测量精度，必须降低导线连接电阻。信号电缆应选用屏蔽双绞线，线径选用 2.5 铜芯，安装时屏蔽层接地。由于部分变送器和泵房连接线路利用多余的通信线路通道，我们采用变送器至电杆一段为屏蔽电缆，在杆上与通信电缆连接至泵房。2、信号线两侧安装 SPDSPD 又称为避雷器、防雷栅、浪涌保护器，是一种限制瞬态过电压和分走浪涌电流的器件。它并接在被保护设备的附近，在无浪涌出现时为高阻抗（即开路状态） ，当出现浪涌时就在最短的时间内（纳秒级）内迅速将雷
9、电流泄放到地使 SPD 变为低阻抗，从而保护了被保护设备。目前，SPD 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。气体放电管是管内充有惰性气体，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。氧化锌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。齐纳二极管是利用 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。如表： 气体放电管压敏电阻钳位二极
10、管漏电流无小小寄生电容小大大续流有无无老化现象有有几乎没有响应时间慢 (1us)较快 (1ns)快 (几十 ps)损坏形式短路或开路短路或开路短路或开路通流容量大(1kA-100kA)大(0.1kA-100kA)较小(0.1kA-1kA)绝缘电阻10G20M20M抗干扰能力较强强弱箝位电压水平放电电压高中等低SPD 在组成上分为电压开关型 SPD，通常由放电间隙、充气放电管、闸流管和三端双向可控硅元件组成。限压型 SPD，通常用压敏电阻、齐纳二极管、雪崩二极管组成。组合型 SPD ，该浪涌吸收器由电压开关型 SPD 和限压型 SPD 组合而成，电压限制型具有连续的伏安特征，电压开关型具有不连续
11、的伏安特性。SPD 选用的参数主要有标称工作电压 UN，仪表测量系统一般为24V。标称放电电流 In，流过 SPD 的相应波形的放电电流峰值（kA)。其值要按地区的雷暴日多少、地理位置、行业特点、单级或多级、价格等因素而定。电压保护水平 Up，冲击放电电流通过 SPD 的最大放电电压。响应时间 TA，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，它决定了 SPD 能否在浪涌一出现，就快速启动将浪涌的能量释放掉。其值愈小愈好。对于泵房水位测量系统的防雷措施，为了达到良好的浪涌抑制效果，根据 SPD 浪涌抑制器件的特点和实际雷电发生的特性，采用两级浪涌保护。在野外
12、变送器侧选用两线制变送器专用浪涌保护器，就地安装在变送器上，其接地线与线缆屏蔽层连接，与接地体可靠连接。在泵房数显表侧安装两线制信号浪涌保护器，其接地泄流接地与泵房接地系统连接。浪涌保护器选用的参数为标称工作电压 UN为 24V，标称放电电流(8/20s)In 为 10KA，限制电压 Up 为60V，响应时间 TA 为25ns。变送器、屏蔽线、线路和数显表如图：3、数显表电源安装电源型 SPD由于泵房的电源基本通过 6 千伏架空线经泵房变压器提供，其架空线和变压器都安装有避雷器，为防止线路避雷器接地泄流故障，在数显表电源安装一级电源型 SPD 浪涌保护器，其保护器的泄流接地与配电柜的接地等电位
13、连接。四、接地实施整个系统防雷措施是否有效,最为关键的是能否有效的将浪涌电流引流入地。对于本仪表系统的防雷接地装措施，采用两处接地，一处为泵房数显表的信号线浪涌保护器泄流接地，此处接地与泵房配电柜的保护接地联合接地。一处为水池变送器的浪涌保护器和信号屏蔽线的接地，为了达到较小的接地电阻，一般采用如下接地体：由于地表下 0.15 米到 0.5 米处土壤处于干湿交界的地方，接地导体易受腐蚀，所以一般规定接地体埋深不小于 0.6 米。考虑到接地体互相的屏蔽影响，所以接地体的间距不宜小于其长度的 2 倍。为了抗腐蚀，材质可用镀锌扁钢和镀锌角铁。五、效果采用上述防雷措施后，经过一年的使用，未在发生因雷击而造成的仪表损坏。对于处于野外设施的仪表防雷措施，在无法保证外部防护的条件下，通过加强内部防护达到较好的防雷效果。其主要几方面的工作为：(1)首先要完善弱电外部雷电防护，将绝大部分雷电流直接接闪引入地下泄散。(2)其次要阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波。(3)将浪涌电流通过可靠接地泄放。参考文献1、GAT6702006安全防范系统雷电浪涌防护技术要求2、建筑物防雷设计规范3、仪表系统接地设计规定（HG/T 20513-2000）4、电子设备雷击保护导则（GB7450-87）
