资源描述
控制系统 浪涌保护器的配置和应用,徐义亨 编,2,1 概述,1.1 作为SPD的几个基本条件 作为SPD，其本身应满足如下几个基本条件： 1） 能承受预期通过的电流； 2） 通过电流时的最大箝压（电压保护水平或残压)应小于设备的耐压（即有理想的伏秒特性）； 3） SPD应具有较强的绝缘强度自恢复能力。 由于雷电过电压持续的时间很短，当SPD两端过电压消失后，系统正常运行电压继续作用在SPD的两端，在这一正常运行电压的作用下，处于导通状态下SPD中继续流过工频接地电流，该电流称为工频续流。SPD必须在雷电过电压消失后工频续流的第一次过零时自行切断。否则SPD继续维持导通状态，系统无法恢复正常运行。 4）对系统的正常运行的影响应很小（即SPD的寄生电容应很小，泄漏电流应非常小）。,3,1.2 SPD的设置应考虑的基本因素 由于过程控制系统有数量庞大的I/O点，考虑到用户的经济承受 能力，不可能也没有必要在所有的I/O点上装设SPD。所以一般考虑的 基本因素是： a.雷电电磁脉冲的防护等级； b.被保护设备/系统的重要性、雷击可能造成的经济损失和电涌保护 投资的比较。 对扩建和改建装置，如果接地系统、电缆类型和不同线路的安 装条件已被确定，使用SPD是保护设备的唯一可行的方法。（引自 “IEC 62305”）,4,1.3 SPD的分类试验等级 对控制系统，所选用的SPD，除直击雷严重的地点采用适当容量 的I级分类试验（10/350s）的SPD，其冲击试验分类均相对于级 分类试验（8/20s的电流波形和1.2/50s的电压波形）或级分类 试验（8/20s的短路电流波形和1.2/50s的开路电压波形的混合 波）。 下面图中：Q电荷量（电流A时间S）； W/R比能量，雷电流在一个单位电阻中所耗散的能 量。它是雷电流的平方在雷击闪络持续时间内对时间的积分。,测试雷电电流的比较,200 s,350 s,600 s,800 s,1000 s,t (s),80 s,3,6,1.4 在配置SPD时，应考虑的主要参数选择： a.最大持续运行电压Uc； b.标称放电电流In； c.电压保护水平Up； d.响应时间（一般应小于25ns ）。,火花间隙、压敏电阻与二极管之间的比较,8,2 交流低压电源系统SPD的应用,2.1 交流电源回路的应用环境 根据交流电源回路的应用环境，存在着很大的差别： 1）对于那些高度暴露的环境（如变压器露天放置、从变压器到配电 室的室外距离又较长），由于处在直击雷的威胁下，空间的电磁场 强度很大，电源回路上可能出现的浪涌高达80kA以上； 2）而包括变压器等设施在建筑物内的的供电系统，由于周围已采取 了防直击雷措施，因而空间的电磁场强度已经大大降低，供电回路 上可能出现的浪涌为20-40kA，甚至更低。 对于非常重要的用户可以在总配电柜、分配电柜、控制系统 供电箱实施三级浪涌保护。,分配电柜被雷击的照片,10,2.2 用电设备的浪涌抗扰度,控制系统的用电设备包括： UPS； 稳压器； 隔离变压器； 直流电源装置等。 其浪涌抗扰度（以绝缘冲击耐受电压或耐冲击过电压水平表示） 应由制造商提供。 当制造商没有提供数据时，根据GB 50057，对220/380V三相系 统各设备冲击耐受电压额定值规定如下表所示。,11,控制系统的用电设备相当于表中的控制室供电箱，所以浪涌抗 扰度规定为2.5kV （1.2/50s），但UPS可按1.5kV考虑。,12,2.3 TN-S制配电系统中的SPD 的安装方式,单级的SPD防护有两大缺点： 过大的雷电流而出现的损害概率高； 残压正比于雷电流，所以单级SPD会产生高残压。 所以在配电系统中，在同一条线路上往往配置多级SPD。但此 时应检查级间的能量配合和动作时间的配合。,SPD在 TN-S系统中的应用实例,14,TN-S 制三相电路的某一级SPD的设置,15,进控制室配电箱的交流电源为TN-S制三相220/380V系统时，供 电系统中的SPD宜装在主电路空气开关和熔断器的负荷侧。SPD采用 共模接法，即在三根相线和PE线之间，各自安装一个过电流保护器 和一个SPD，另在中性线和PE线之间安装一个SPD（见上图）。 进控制室配电柜的交流电源为TN-S制的单相220V系统时，SPD采 用全保护模式，即在相线和PE线、相线和N线之间，各自安装一个过 电流保护器和一个SPD，另在中性线和PE线之间安装一个SPD（见下 图）。,16,TN-S 制单相电路的SPD设置,17,2.4 过电流保护器的功能,1）在SPD支路上安装过电流保护器以防止SPD在承受长时间的过 电压后因过热而引起SPD的损坏，从而导致SPD支路的短路起火。 在SPD支路上安装的过电流保护器不应在SPD允许通过的最大 雷电流下断开，但应能断开该点的工频短路电流。 一般供应的熔断器没有冲击电流下的动作特性数据，这给 匹配带来了困难。 因此推荐采用空气开关。空气开关如选延迟型C型脱扣曲线即有足 够的延时躲开冲击电流的作用而保证在雷电流下不断开。 2）过电流保护器应与主电路的过电流保护器满足级间配合要求。,18,2.5 控制室供电箱SPD的参数选择,总配电柜和分配电柜的SPD属电气专业设计。这里仅讨论控制 室供电箱的SPD。 A.最大持续运行电压UC的选择 Uc值与产品的使用寿命、电压保护水平有关。Uc选高了，寿命 长了，但电压保护水平，即SPD的残压也相应提高，故要综合考虑。 对TN-S系统，Uc1.55U0（U0最大工作电压） SPD的事故许多是由于Uc数值选得不够高。因此建议取为1.55。 如有可能，在不影响电压保护水平要求的条件下，甚至可以取1.73- 2。,19,B.标称放电电流In的计算 1）雷电流的分配 根据IEC 61312-1：1995有关条文的规定，全部的雷电流I （10/350s）的50%流入外部防雷装置的接地装置，还有50%分配流 入各种外来导电物，电力线、信号线、通信线等。 如果只考虑TN-S三相五线制供电线路，即还有50%分配流入三相 五线制的五根线中。,分雷电流的形成,引外系统,分雷电流（系统电流）,建筑物,100 % 雷电流,接地系统,50 % 雷电流,导体电流2.5%,分雷电流10%,分雷电流10%,分雷电流10%,分雷电流10%,雷电流分配实例,直击雷保护系统下的分雷电流,气,水,PSC,通信,MCR,100 kA,100 kA,20 kA,20 kA,20 kA,20 kA,20 kA,雷击电流的参数,保护等级 峰值电流（ kA） A 200 B 150 C、D 100,Lit.: IEC 61024-1-1,E = Rst,i,t,算例: E = 100 kA 1 = 100 kV,S88e,10/350 s波形,冲击接地电阻上的电压降,25,1）如果防护等级为A级，相对于10/350s波形供电线路中每线荷载 的雷电流为 Im=20050%/5=20 kA 2）将20kA,10/350s波形化为8/20s波形 根据IEC61312，计算单位能量W/R的公式为： W/R=（1/2）（1/0.7）I2T2（J/） 式中 ：I-雷电威胁值，kA； T2 -雷电波的半值时间，s。 在单位能量W/R相同的情况下，由上式可得 I（20）=I（350）T2（350）/T2（20）1/2 则 I（20）=20350/20 1/2=83.7(kA),26,控制室电源回路SPD的标称放电电流参考值,考虑到在总配电柜后设有多个分配电柜，分配电柜后再供电给包括仪 表系统在内的多个负荷，总的83.7kA大的雷电流最后分流到控制系统交 流电源系统时已减少到很小。经调查，按上表选择SPD的标称放电电流值 是可以满足要求的。 C.电压保护水平Up 不大于用电设备的耐冲击过电压水平的0.8。,27,2.6 多级SPD之间的能量配合和动作配合,1）能量配合 从前级到后级，标称放电电流逐级减小。 。 2）动作配合 同一条线路上配置多级SPD时，应检查级间的能量配合和动作时 间的配合。当不能进行专门的校验时，可选用制造商建议的多级系 列SPD产品和级间配合措施。 当制造商未提供SPD级间配合措施也未提出级间距离要求且各级 SPD的电压保护水平相差不大时，限压型 SPD与 限压型SPD之间的电 气距离不宜小于5m, 限压型 SPD与电压开关型SPD之间的电气距离不 宜小于15m。,28,对于电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不宜小于15m, 限压型SPD之间的线路长度不宜小于5m的规定，其目的主要是在低压 配电线路中安装了多级SPD，由于各级SPD的响应时间的不一,有可能 在设计和安装时因能量配合不当，将会出现某级SPD不动作，产生泄 流盲点。为了保证前级保护SPD比后级保护SPD先动作,所以两级SPD 间必须有一定的线距长度（即一定的感抗或加装退耦元件）来满足 避免盲点的要求。,29,现假设电压开关型SPD的响应时间为100ns, 限压型SPD的响应时 间为25ns,由于电缆中存在着分布电容和分布电感, 根据行波理论, 雷电流在电缆中的传播速度为1.5108m/s,那么雷电流在这个时间 差(100-25) ns内向前行进的距离为S: S=1.51087510-9=11.25(m) 即电压开关型SPD和限压型SPD之间的距离大于11.25m时,就可以保证 前级SPD先动作,从而达到将大的雷电流先泄放掉的目的。由于SPD实 际响应时间有一定的误差，所以取15m。 如果两级保护的SPD均为限压型，响应时间均为25ns，如果两级 SPD动作的时间差也为25ns，那么两级间应相距： S=1.51082510-9=3.75(m) 为保险起见，故取5 m。,30,如在实际情况中，难以满足上述的距离要求，而参数上也难以 配合时，可以在两SPD之间加装退耦装置（即一定的电感量L）来实 现。 各级电源SPD能量配合的最终目的是将总的威胁设备安全的电压 电流浪涌值减低到被保护设备能耐受的安全范围内，而各级电源SPD 泄放的浪涌电流不超过自身的标称放电电流。根据IEC61312-3的规 定，末级电源SPD的保护水平还必须低于被保护设备的冲击耐受电压。,31,另外： 1）限压型SPD或浪涌保护箱应选具有运行状态指示器和SPD故障 脱离器的产品。 限压型SPD或浪涌保护箱宜选用具有报警指示或报警触点的产品。 电压开关型SPD可选用具有运行状态指示器的产品。 SPD或浪涌保护箱可选用具有雷击计数器或雷电流记录器的产品。 2）在易燃易爆的危险场所,SPD应安装在爆炸介质的所在区域之 外。安装于暴露爆炸介质或爆炸烟尘所在区域的SPD必须通过国家或 国际测试机构的本安论证，或密封于防爆体内。,DEHN（德国深恩）（D级）,浪涌保护器 D类SPD E DIN VDE 0675-6 和-6/A1 在LL与LG之间有合适的电压保护级别 较高的通流容量 宽的类型范围 标称电压UN 从 24 - 230 V 标称电流 IN 16 A DIN-Rail 安装方式 多种报警方式 可视操作- / 故障指示 常闭型远程遥信触点,33,3 信号、通信线路的SPD,基本原则： 1）信号、通信线路上的SPD应不会造成现场信号的明显衰减和 加大误码率。 2）其紧靠被保护端口的保护元件不得采用气体放电管而应采用 高响应速度（有试验报告证实整体SPD响应时间不超过10ns）的精密 保护器件。,34,3.1 SPD 的配置原则（推荐）,1）凡经室外引入控制系统的信号和通信电缆，电缆在室 外的水平敷设长度大于50m或垂直敷设长度大于10m，且 满足下列条件之一时，宜在线路两侧装设浪涌保护器： 安全系统的I/O参数； 雷电防护等级为A级的重要控制参数和通信电缆。,35,2）凡经室外引入控制系统的信号和通信电缆，电缆在室 外的水平敷设长度大于50m或垂直敷设长度大于10m，且 雷电防护等级为B级的重要控制参数和通信电缆，宜在线 路控制系统侧装设浪涌保护器。,36,凡符合下列情况之一者，可以不考虑装设电涌保护器： 室内敷设（符合规范规定的电缆屏蔽和敷设要求）的I/O信号和 通信电缆； 现场端侧的热电偶； 由配电间、电气控制室以及大功率开关现场端来的强电开关量信 号； 室外埋地的双层屏蔽电缆且两端出地面后在室内，或室外长度小 于30m时。,37,3.2 I/O信号SPD的参数值,供电电源为24Vdc信号，电流为（4-20）mA的控制系统I/O信号 的SPD参数宜符合下表的规定。,38,现场仪表用SPD 应安装在与被保护仪表相同的防护、防爆等级 的保护箱内。如现场仪表无保护箱，宜用直接拧在变送器备用螺纹 电缆接口上的SPD。,三线制防爆型SPD,40,3.3 通信端口上的SPD的主要参数,凡通信端口若符合上述配置条件时,应根据线路的： 工作频率； 传输介质； 传输速率； 传输带宽； 工作电压； 接口形式； 特性阻抗等参数。 选用电压驻波比和插入损耗小的适配的SPD。也就是说所选择 的浪涌保护器也要具备和通信线路相同的性能。 通信端口上的SPD的主要参数宜符合下表的规定。,41,以太网SPD,10 BASE 2以太网 GKF/B-L,10 BASE 5以太网系统 GKF/N-L,视頻监控现场防雷案例,接线盒,接线盒,系统线,通信线,摄像头,摄像头,云台,分配箱,监视器,控制台,同轴或双绞线,通信线,230 V电源线,电源系统保护器,信息系统保护器,云台,保护现场设备,V2A 外壳 IP 67 防腐，防水,通过现场设备的接地放电,电缆接头与现场设备之间用螺纹连接,只需要最小的安装空间 同样更换也很方便,45,4 SPD的安装,SPD的安装应注意如下几点： 1）浪涌保护器应安装在被保护设备的前端，并与其它电气设备保持一定的距离。 2）导线连接的浪涌保护器其两端连线的总长度不应超过0.5m。 这里之所以规定两端连接线长度（见图4.40中的L）不应超过 0.5m，其目的之一是降低雷电波通过引线上的时间，从而可提高SPD 的保护安全性能。因为电缆介质存在着分布电容和分布电感，按行 波理论，雷电波在电缆中的传输速度若为空气中光速的二分之一， 即1.5108 m/s ,通过0.5m长导线的时间可达3.4ns，若连接线太长 将影响SPD的响应时间。,46,47,其目的之二是减小线路残压。如图所示，已知10kA、10/350s 的雷电流通过SPD，设线路的自感为1H/m,被保护设备的耐压为 2.5kV,SPD的残压Vp为1.5kV,则： UAB=Vp+(l1+l2)Ldi/dt=1.5+0.5*1*10/10=2.0(kV)2.5 kV 如果 (l1+l2)=2m 则 UAB=1.5+2*1*10/10=3.5(kV)2.5 kV 即被保护设备是不能承受的。,48,3）浪涌保护器的连接导线应短并平直，不宜形成尖锐的转角。为避 免不必要的感应回路，SPD与被保护设备之间应采用无回路或小回路 面积的方法安装。,49,回路面积太大，虽合格但不够好,50,回路面积小，比较好,51,最好的方法,52,4）电源线路浪涌保护器连接线的最小截面积应和SPD的标称放电电流 相对应，标称放电电流愈大，要求连接线截面积也相应增大，这样可 减小引线电感量，从而减小其动态阻抗，同时减小线路残压。电源线 路的浪涌保护器的连接导线最小截面积宜符合下表的规定。,53,5）信号线路浪涌保护器接地端宜采用截面积不小于1.5 mm2的铜芯 导线与等电位接地端子板连接，接地线应平直。 6）信号线路浪涌保护器与被保护设备的连接端口有串接与并接之分 。由RJ11、RJ45、和其它接口组成的线路应串接安装SPD，仅有接线 柱组成的接口应并接安装SPD。SPD的安装连接图如下图所示。无 论是串接或是并接，过电压保护元件都是和被保护设备并联的，只 是连接端口上的差异。,54,55,7）SPD应安装在金属导轨上，并以金属导轨作为接地汇流排。信号用的SPD接地应满足如下图所示的基本原理图。,56,在非本安系统的情况下，机柜内信号SPD的接地连接应采用下图 的型式 .,57,5 一个实例给控制系统防雷带来的思考,2007年夏天，应某公司之邀，我们对其MDI装置DCS的雷电防护 进行了风险评估。 该装置的DCS采用国外某公司的产品。是2005年秋投产的。之后 的两年来，工艺框架的建筑物防直击雷装置曾多次接闪，但控制系 统安然无恙。为此，根据现场情况对控制系统已有的雷电防护措施 作出评价，并引发出一点思考。,58,5.1 工程环境的描述,该装置所处的地势是三面环山，一面临海，属山中的平地。整 个工业园区地域空旷，有多个工艺钢结构框架高达40余米。加之我 们在现场测量，发现土壤电阻率很低。所以该地区是明显的引雷区。 根据当地防雷中心提供的数据，年平均雷暴日为45d/a，根据 GB 50343-2004 建筑物电子信息系统的防雷技术规范对雷电活 动区的划分，该地区属高雷区。 该装置的接地系统系利用建筑物（包括工艺设备框架）的基础 钢筋作接地体，建筑物之间联以扁钢，使整个工业园区形成一个很 大的共用接地网。接地电阻的设计值为0.15至0.4。,59,所有在现场的变送器、执行器等设备的外壳，通过金属安装支 架、钢结构的工艺框架以及金属网格地面和共用接地系统实行了等 电位连接。 本装置的所有信号电缆均采用屏蔽双绞线，屏蔽层一端在主控 制室内接工作地，作静电屏蔽用。 所有的信号电缆在外部均采用镀锌钢制走线槽，并利用走线槽 的金属支架作自然接地。我们在现场测量了金属支架的自然接地电 阻值为0.18，每节镀锌钢制走线槽之间的连接电阻为0.3，完全 符合GB 50057 建筑物防雷设计规范的要求。,60,61,主控室（包括机柜间、操作间、工程师站、UPS间和值班室等） 是一座砖混结构的单层建筑物。采用屋面避雷网防直击雷。和主控 室相距约40米的东侧为工艺框架（见图）。I/O信号线缆从东侧 架空进入机房，而后在活动地板下进各编组柜。,62,5.2 风险评估的计算,计算结果可知： 建筑物年预计雷击的总次数N1为0.51次/年； 电缆年预计雷击的总次数N2为0.93次/年； 控制系统的雷电防护等级（LPL）应为A级。,63,5.3 对已有防雷措施的评价,避雷针顶端发黑 是曾经接闪过的痕迹,64,我们在现场调查时发现，位于工艺框架顶部（40多米高处）的 四支避雷针的顶部发黑（非锈斑，见图），这是雷击接闪的痕 迹（但无法判明他们接闪的准确时间，但根据现场反映，可能是一 个月前）。这说明这四支避雷针所在的装置最近遭受过雷击。 该装置的DCS系统以及现场的所有变送器和执行器，自开车后的 两年来从未因雷击发生过损坏。一个装置遭受过多次雷击，但其控 制系统还没有发现过损伤，这决非偶然。究其原因可以归纳为如下 两点。,65,1）如前所述，由于全园区采用一个面积很大的公用接地网，而且土 壤的电阻率又很低。这样，无论是DCS的保护地或工作地，或者是现 场变送器、执行器的外壳接地，均同在一个公用接地网上。加之， 工艺框架本身又是金属结构的良导体，所以在工艺框架遭受雷击 时，主控室内DCS的接地点和现场的变送器、执行器的接地点之间的 地电位差很小，不会发生因反击造成的闪络和损伤。,66,2）由于DCS系统所有的I/O电缆采用了双层屏蔽，即内层为屏蔽双绞 线（屏蔽层单端接地）的屏蔽层，外层是利用I/O电缆的金属走线槽 并在其两端或每隔一定距离设一个接地电阻很小的接地点，大大地 抑制了雷电电磁脉冲的作用。 上述两点是非常重要的防雷措施。我们通过近几年来的调查研 究也发现，凡是具备上述两大重要防雷措施的DCS，其遭雷击的可能 性很小。这也就是为什么该工艺装置两年来遭受过雷击，但在整个 控制系统内没有设置一台浪涌保护器（SPD）的情况下，DCS及其变 送器、执行器却安然无恙的主要原因所在。,67,5.4 两点重要结论和一点思考,由此，我们认为： 1）控制系统的雷电防护措施，必须要在工程的设计阶段予以充分考虑，即防患于未然，这才是解决问题的最好办法。如在工程施工完成并投产后才发现问题并欲作修改，谈何容易。 2）在改建或扩建工程中，当接地系统、屏蔽措施和线缆敷设均已存在并有一定问题但又无法修改时，诚如IEC 62305所述，浪涌保护器（SPD）才是重要的防雷措施。 这里所述的装置遭受过雷击，但DCS安然无恙，而且是在没有使用一台浪涌保护器（SPD）的前提下。因而引发出一个问题，即几年前曾有人问笔者，控制系统的雷电防护是否一定要使用SPD？,68,谢谢大家,
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