雷電引起雷達液位計屢燒保險問題的分析

王成林，林興華

（中國石油化工股份有限公司 廣州分公司，廣州510726）

廣州平均雷暴日超過73.1d／a，屬強雷區［1］。廣州某石化企業煉油罐區位于空曠、開闊區域，煉油罐區儀表經常受到雷擊損壞，是企業雷電災害的重災區。因此，該企業從2008年按雷電防護相關規范和標準重新設計并實施了儀表雷電防護措施，使得罐區儀表受雷擊損壞的問題基本得到解決，但還存在煉油罐區雷達液位計供電回路受雷電影響屢燒保險的問題，造成液位測量失靈的事件發生，影響了操作人員對液位的監控。

1 問題分析

1.1 罐區雷達液位計回路配置

罐區雷達液位計回路如圖1所示，雷達液位計采用四線制，包括1對24V直流供電電源線和1對信號線。24V直流電源經過1A保險管后送到現場，供電和信號線路的兩端都安裝了SPD。

1.2 罐區雷達液位計受雷電影響情況

煉油罐區雷達液位計受雷電影響燒保險導致雷達液位計失電、無顯示，更換保險管后雷達液位計能恢復正常。2011—2013年共有6個罐區66臺次的雷達液位計受到影響。

1.3 問題分析

1.3.1 儀表雷電防護措施檢查

儀表雷電防護措施包括接閃器、引下線、接地裝置、屏蔽、等電位聯結與接地、合理布線、配備電涌保護器（SPD）等［2－4］。首先檢查儀表雷電防護措施是否適當配置。檢查結果表明：罐區利用大于4mm厚度的罐體作為接閃器，罐體與地網的接地點不少于2處，引下線的間距不大于18m［5］；引下線、接地裝置狀況良好；通過接地良好的鍍鋅管實現對儀表電纜的保護；現場和控制室設備共用接地系統，實現等電位聯結和接地；儀表線路布置合理；現場和控制室兩端儀表已配置SPD。從檢查結果看，儀表雷電防護措施配置齊全，為此對存在的問題還需要作更深入的分析研究。

圖1 罐區雷達液位計回路示意

1.3.2 保險管的熔斷條件

保險管的動作是靠熔斷體的熔斷來實現的，當電流較大時，熔斷體熔斷所需的時間較短，而電流較小時，熔斷體熔斷所需的時間較長，甚至不會熔斷。文獻［6］對5mm×20mm低分斷能力延時動作熔斷體動作電流與動作時間之間的關系作了相應的規定：預飛弧時間應在下列限值范圍內，見表1所列。

表1 預飛弧時間（熔斷時間）

1.3.3 模擬試驗

雷擊時出現燒保險而不損壞儀表設備的情況說明經過SPD處理后的干擾電壓受到限制，但電流還是超過In并持續足夠長的時間，導致保險管熔斷。為了查清屢燒保險的原因，按圖2搭建了一個模擬實際使用環境的測試系統，對在用SPD測試件線對地之間施加3kA（8／20μs波形）模擬雷電流沖擊。

圖2 模擬實際使用環境的測試系統示意

檢測項目包括：測量殘壓（A，B處，測量時直流電源不接入）；測量保險管兩端壓降（C，D處）及壓降持續時間；檢查保險管是否熔斷。

測試結果：SPD殘壓為43V，符合要求；測量保險管兩端壓降為344mV，沖擊后保險管上的壓降一直持續了32ms，直至保險管熔斷。測試共使用了5個保險管，其中4個保險管在第1次沖擊后熔斷，另外1個保險管在第4次沖擊后熔斷。

1.3.4 模擬試驗結果分析

SPD的作用是泄流和限壓［7］。殘壓符合要求說明SPD起到了泄流和限制過電壓的作用。保險管兩端壓降為344mV，遠超出了標準給出的150mV的最大壓降指標，說明流經保險管的電流遠遠超出其額定電流。從表1可知，在10In的條件下，熔斷體熔斷時間在20～300ms。根據沖擊后保險管上的壓降仍持續了32ms直至保險管熔斷的測試結果，可以粗略估計流過保險管的電流為其In的10倍左右。因為該熔斷時間已遠遠超出模擬雷電流沖擊的時間，所以可以確定是SPD出現了續流現象導致有較大的電流較長時間流經保險管，使保險管過熱熔斷。

在用SPD前級輸入端采用線－地保護方式，使用了1只氣體放電管用于泄放大電流；而后級采取了線－線保護方式，使用1只瞬態抑制二極管限制過壓，實現保護設備的目的，如圖3所示。

圖3 在用SPD原理示意

氣體放電管是封裝于氣體放電介質中的2個或1個以上放電間隙構成的器件［8－9］。一般密封在放電管中的氣體為高純度的惰性氣體。當加到電極間的電壓達到擊穿電壓時，氣體放電管便由高阻狀態轉變為低阻狀態［10］，但氣體放電管也存在一定的缺陷，有時甚至會出現續流現象［11］。

測試表明：SPD上的氣體放電管有過電壓施加在兩端時會被擊穿，進入低阻狀態，當沖擊電流消失時疊加在氣體放電管上的直流電壓仍能維持氣體放電管導通便會出現續流問題，結果24V直流電源會一直通過SPD內部電阻R和處于低阻狀態的氣體放電管與地相接，直到保險管熔斷。

2 解決問題措施探討

模擬試驗結果分析表明，問題原因是SPD使用的氣體放電管出現了續流所致。

2.1 解決措施模擬驗證試驗

為了證實能否通過選擇合適的SPD解決續流的問題，筆者利用圖2的測試系統對選擇的2號測試件施加3kA（8／20μs波形）模擬雷電流沖擊進行測試，如圖4所示。

圖4 2號測試件原理示意

測試結果：SPD殘壓為45V，符合要求，與在用的SPD殘壓基本相當；測量保險管兩端壓降為192mV，沖擊后保險絲上的壓降一直持續了156μs后降為0；保險管完好，沒有熔斷。對2號測試件實施了10次沖擊后仍沒有出現保險管熔斷的情況。

2.2 模擬驗證試驗結果分析

2號測試件殘壓符合要求，說明SPD起到了泄流和限制過電壓的作用。保險管兩端壓降為192mV，略高于標準給出的150mV的最大壓降指標，說明有超出保險管In的電流流過。持續時間只有156μs說明：從受沖擊算起到156μs時，SPD上的氣體放電管已遮斷續流，阻抗從低阻轉變為高阻，改變了電源與地的低阻連接狀態，避免了保險管熔斷。結果表明2號測試件在模擬實際使用工況環境下能有效改善續流現象。

2號測試件與在用SPD的差異：在2號測試件前級使用了2個氣體放電管串聯，后級采用了全模保護，即線－地與線－線均采取了保護。SPD上使用2個氣體放電管串聯在一起，使得SPD總的過保持電壓比較高。后級采用全模保護，多個瞬態抑制二極管可以在沖擊開始時泄放更多電流，即在電阻上的壓降更大，氣體放電管更容易點火，使得此SPD雖然使用了2個串聯的氣體放電管也能快速動作。分析表明2號測試件從結構和原理上具有更強的續流遮斷能力。

2.3 現場初步應用結果

在2013年5月對12號罐區的11臺雷達液位計供電回路SPD進行了更換。更換之后12號罐區再沒受雷電的影響，而未更換SPD的罐區仍發生燒保險的情況，初步的使用結果也表明選用合適的SPD可以基本解決煉油罐區雷達液位計供電回路受雷電影響屢燒保險的問題。

3 結束語

通過對問題的分析和模擬測試，基本可以確定在用SPD上的氣體放電管出現續流問題，是煉油罐區雷達液位計供電回路受雷電影響屢燒保險問題的主要原因，進一步的模擬驗證試驗結果表明：通過選用合適的SPD可以解決該問題。更換部分區域SPD的使用效果與模擬試驗驗證結果基本吻合，初步證實了問題分析研究結果的正確性和解決措施的有效性。

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