分析了高位露天山頂水箱液位計(jì)　測(cè)量系統(tǒng)遭雷擊損壞的原因， 通過(guò)采用信號(hào)電涌保護(hù)器和電源電涌保護(hù)器等措施， 解決了系統(tǒng)容易遭雷擊損壞的難題。
 
用戶(hù)企業(yè)的生活用水系統(tǒng)設(shè)置有2 只水箱， 一只設(shè)置在汽機(jī)房的房頂， 標(biāo)高45 m， 另一只設(shè)置在廠(chǎng)區(qū)的山坡上， 標(biāo)高48 m。山頂水箱液位計(jì)　由裝在水箱上的投入式變送器進(jìn)行測(cè)量， 變送器通過(guò)200 多米的鎧裝控制電纜與二次儀表聯(lián)接組成水位測(cè)量系統(tǒng)， 電纜未進(jìn)行埋地敷設(shè)。每當(dāng)雷雨天時(shí)， 山坡上的水箱液位計(jì)　變送器、綜合水泵房?jī)?nèi)的二次儀表常因雷擊而損壞， 采取鎧裝電纜鎧包接地、二次儀表接地等措施仍不能解決雷擊問(wèn)題。
 
　　1 雷擊損壞原因分析
雷擊損壞儀表有2 種情況， 一種是直接雷擊到液位變送器或電纜上， 另一種是由于雷電電磁脈沖在測(cè)量系統(tǒng)的電纜上感應(yīng)出高電壓而損壞測(cè)量系統(tǒng)。
 
山頂水箱雖然標(biāo)高較高， 但不是在山的zui高點(diǎn)， 在離水箱100 多米處還有移動(dòng)手機(jī)基站， 其標(biāo)高高于水箱， 基站設(shè)有防直擊雷的避雷針， 水箱水位變送器在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)， 所以山頂水箱受直擊雷的概率較小。
 
避雷針的作用是把雷電引向自身， 從而使保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的被保護(hù)對(duì)象免遭直接雷擊。但避雷針的引雷作用也會(huì)增加保護(hù)區(qū)域雷擊概率， 只不過(guò)雷擊電流通過(guò)避雷針引入了地下， 保護(hù)范圍內(nèi)的設(shè)備雷電流流過(guò)的概率大大減小。
 
　　避雷針在把強(qiáng)大的雷擊電流引入地下的過(guò)程中， 由于雷電流陡度di/dt 的作用， 在其周?chē)饘袤w內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓， 即感應(yīng)脈沖過(guò)電壓， 其影響范圍很大。如一個(gè)30 kA 的中等雷落在避雷針上所產(chǎn)生的感應(yīng)脈沖過(guò)電壓為：
　　
　　式中： a 為雷電流引線(xiàn)與被感應(yīng)導(dǎo)體間的平行距離； di/dt=30/26≈11.5 kA/μs。30 kA 的雷擊在避雷針周?chē)鷮?dǎo)體上耦合出的感應(yīng)脈沖過(guò)電壓值如表1 所示。
　
由表1 可以看出， 避雷針周?chē)?00 m 范圍內(nèi)的電子儀表設(shè)備都是感應(yīng)雷破壞的對(duì)象， 并可計(jì)算出在液位測(cè)量系統(tǒng)的電纜上可能會(huì)感應(yīng)出320～840 kV 脈沖過(guò)電壓（電纜長(zhǎng)度以200 m 計(jì)算，與避雷針距離zui近以100 m、zui遠(yuǎn)以300 m 計(jì)算）， 這么高的電壓必定會(huì)損壞儀表。
 
　　2 電涌防護(hù)器原理
　　一套完整的電子設(shè)備防雷系統(tǒng)應(yīng)建立三維防護(hù)體系， 即防直擊雷、防感應(yīng)雷電波侵入、防雷電電磁感應(yīng)、防地電位反擊以及操作引起的瞬間過(guò)電壓影響等。由于高位露天液位測(cè)量系統(tǒng)較小，所以只考慮雷電電磁脈沖對(duì)電源線(xiàn)路和信號(hào)線(xiàn)路的感應(yīng)過(guò)電壓入侵， 并同時(shí)考慮等電位的連接。選用了菲尼克斯公司生產(chǎn)的3 種SPD（電涌保護(hù)器）： 用于二次儀表220 V AC 電源的SPD 是PT 2-PE/S-230AC/FM， 其電路如圖1 所示； 用于二次儀表輸入信號(hào)的SPD 是PT 1×2－24DC， 其電路如圖2 所示； 用于現(xiàn)場(chǎng)變送器的SPD 是S-PTEX-24DC， 其電路如圖3 所示。
　　
（1）圖1 電路由氣體放電管（粗保護(hù)）、壓敏電阻（細(xì)保護(hù)）、發(fā)光二極管、熔絲組成。IN 端接電涌電流來(lái)向， OUT 端接被保護(hù)設(shè)備， 端子L 和N 分別接1 對(duì)220 V 火線(xiàn)、零線(xiàn)。端子3 和4 端子任選1 個(gè)接地， 如果金屬導(dǎo)軌已接地， 此接地線(xiàn)可不接。端子11 和12 接1 對(duì)開(kāi)關(guān)量報(bào)警回路。當(dāng)電涌電流從IN 端進(jìn)入SPD， 細(xì)保護(hù)壓敏電阻在25 ns 內(nèi)啟動(dòng)， 限制火線(xiàn)、零線(xiàn)之間出現(xiàn)過(guò)電壓。當(dāng)火線(xiàn)或零線(xiàn)電壓抬升至940 V 以上時(shí)，粗保護(hù)氣體放電管在100 ns 內(nèi)擊穿， 對(duì)地放電，可泄放10 kA（8/20 μs）電涌電流， 壓敏電阻限制電壓至1.1 kV， 泄放完成后各器件恢復(fù)常態(tài)。當(dāng)
　　
壓敏電阻損壞時(shí)， 熔絲熔斷， 發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)出紅光， 提示更換， 同時(shí)， 端子11 和12 由常閉變常開(kāi)， 提供開(kāi)關(guān)量報(bào)警。
 
（2）圖2 電路由氣體放電管（粗保護(hù)）、退偶電阻、抑制二極管（細(xì)保護(hù)）組成。IN 端接電涌電流來(lái)向， OUT 端接被保護(hù)設(shè)備， 端子7 和11 接1對(duì)4~20 mA 和24 V 模擬量信號(hào)線(xiàn)， 對(duì)應(yīng)的端子8 和12 接被保護(hù)設(shè)備。端子9 和10 接屏蔽層。
 
端子3 和4 任選1 個(gè)接地， 如果金屬導(dǎo)軌已接地， 此接地線(xiàn)可不接。端子9 和10 與3 和4 之間是1 個(gè)可選的氣體放電管， 作用是當(dāng)系統(tǒng)要求將防雷保護(hù)地與測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾地分開(kāi)時(shí)， 既能在正常時(shí)提高測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾能力， 又能在雷電發(fā)生時(shí)通過(guò)氣體放電管瞬間導(dǎo)通， 保證兩地的等電位要求。在正常工況時(shí)儀表信號(hào)線(xiàn)上的電壓為24 V DC， 抑制二極管動(dòng)作， 不影響儀表正常工作， 當(dāng)電涌電流從IN 端進(jìn)入SPD， 2 根信號(hào)線(xiàn)產(chǎn)生大于40 V 差模電壓時(shí)， 細(xì)保護(hù)抑制二極管在1 ns 內(nèi)導(dǎo)通， 使電壓鉗位在40 V， 防止差模電壓過(guò)大損壞二次儀表。當(dāng)2 根信號(hào)線(xiàn)中的任1根對(duì)地電壓大于360 V 時(shí)， 粗保護(hù)氣體放電管在100 ns 內(nèi)導(dǎo)通， 保證2 根信號(hào)線(xiàn)對(duì)地的共模電壓不大于360 V， 保護(hù)二次儀表不會(huì)由于共模電壓過(guò)高而被擊穿。電路中的退偶電阻起到升壓作用， 氣體放電管可泄放10 kA（8/20 μs）浪涌電流，抑制二極管可限制電壓至40 V， 泄放完成后各器件恢復(fù)常態(tài)。退偶電阻為2.2 Ω， 根據(jù)IEC 標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試， 當(dāng)退偶電阻為2.2 Ω 時(shí)， 粗細(xì)兩級(jí)保護(hù)的能量配合zui佳。
 
（3）圖3 電路由氣體放電管（粗保護(hù)）、抑制二極管（細(xì)保護(hù)）組成。端子BN 和BL 并接1 對(duì)4~20 mA， 24 V 模擬量信號(hào)線(xiàn)， 端子BK 接地。當(dāng)電涌電流從線(xiàn)路進(jìn)入SPD， 細(xì)保護(hù)抑制二極管在1 ns 內(nèi)啟動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)瞬間等電位， 當(dāng)電壓抬升至360 V 以上時(shí)， 粗保護(hù)氣體放電管在100 ns 內(nèi)擊穿， 對(duì)地放電， 可泄放10 kA（8/20 μs）浪涌電流，抑制二極管可限制電壓至65 V， 泄放完成后各器件恢復(fù)常態(tài)。抑制二極管組成橋電路， 可降低回路電容。
 
　　
該SPD 擰在變送器的1 只穿線(xiàn)孔上， 能保護(hù)變送器的1 對(duì)信號(hào)線(xiàn)， 變送器的外殼對(duì)地電位不大于360 V， 信號(hào)線(xiàn)之間電壓不大于65 V， 可有效防止雷電過(guò)電壓對(duì)變送器的損壞。
 
　　3 水箱液位計(jì)測(cè)量系統(tǒng)防雷的實(shí)施
山頂水箱液位計(jì)　測(cè)量接線(xiàn)如圖4 所示， 圖中接地點(diǎn)A 和B 連接在山頂水箱周?chē)鸀榉览滓笮伦龅慕拥鼐W(wǎng)上， 接地電阻小于10 Ω。此接地網(wǎng)未與儀表室內(nèi)的接地網(wǎng)相連， 原因是兩地距離較遠(yuǎn)， 施工不便； 當(dāng)雷電感應(yīng)時(shí)， 變送器內(nèi)部元器件及周?chē)乃?、地面電位同時(shí)升高， 不會(huì)造成變送器的損壞。若A 點(diǎn)和B 點(diǎn)與儀表室的地相連， 則兩點(diǎn)的電位差為零， 變送器內(nèi)部元器件對(duì)變送器和外殼存在電位差， 電位差過(guò)大時(shí)將引起變送器損壞。儀表室內(nèi)的接地點(diǎn)C， D， E 點(diǎn)及控制柜的外殼都接在同一個(gè)接地母排上。
 
由圖4 可知， 變送器側(cè)的SPD 與變送器的接線(xiàn)端子并聯(lián)， 當(dāng)雷電沖擊電壓或沖擊電流超過(guò)保護(hù)值時(shí)， 能瞬間把雷電流引入地下， 保護(hù)設(shè)備對(duì)地電壓在低壓值， 從而不損壞變送器。
 
　　
二次儀表與SPD 串聯(lián)接線(xiàn)， 當(dāng)雷電沖擊電壓、沖擊電流沿電纜進(jìn)入儀表室時(shí)， SPD 能瞬間把雷電流引入地下， 從而不會(huì)損壞二次儀表。當(dāng)雷電沖擊電壓、沖擊電流沿220 V AC 供電電源入侵時(shí)， 電源側(cè)的SPD 能瞬間把雷電流引入地下， 從而保護(hù)儀表免遭損壞。
 
 
　　4 結(jié)語(yǔ)
　　本系統(tǒng)改造方案簡(jiǎn)單， 并按防雷規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工， 取得了較好的防雷效果。


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