現場型輸氣計量系統雷擊致損率高的原因分析與驗證

柯杰貞

（中海廣東天然氣有限責任公司，廣東珠海 519000）

輸氣場站天然氣貿易的氣量結算計量系統，是由流量測量、壓力檢測、溫度變送以及體積修正計算機裝置組成，屬精密電子設備。輸氣場站投產后，現場型計量系統的流量計算機等核心設備因雷電導致損壞的幾率很高。迫切需要通過研究分析，找出其系統已設置的雷電防護裝置失效的原因，以制定有效的預防和解決方案。

1 關鍵設備受損癥狀

系統關鍵設備流量計算機由電源及電池模組、核心處理器模組、數據通信接口模塊等組成，圖1為現場型流量計算機，圖2為現場型流量計算機內部結構圖。通過RS485通信裝置向上位機傳遞數據。工程設計采取了在流量計算機外圍I/O 接口和電源回路上增設加強型浪涌保護裝置來實現有效的雷電保護。

圖1 現場型流量計算機

圖2 現場型流量計算機內部結構圖

由歷次損壞的組件的觀察和檢測結果統計，損壞最多的是兼備RS485通信功能的核心處理器模塊和接口模塊，其他模塊也有損壞發生，但占比較少。

2 研究方法和測試裝置

為徹底厘清雷電防護的薄弱環節，除充分了解設備情況、查閱歷史記錄外，測試和篩查是有效手段。首要是雷電防護器件深入測試，以取得的有效數據進行科學研判。

2.1 試驗標準與方法選定

試驗系統組成和試驗方法按《低壓電涌保護器第21部分電信和信號網絡的電涌保護器（SPD）性能要求和試驗方法》GBT18802.21-2016實施。圖3為沖擊及響應試驗方法電路圖，圖4為電壓、電流試驗電路圖。

圖3 沖擊及響應試驗方法電路圖

圖4 電壓、電流試驗電路圖

2.2 構建檢測系統

根據試驗方法和測試的系統、設備和元件試驗需求，需要配置能模擬雷電高壓大電流脈沖的針對電磁兼容性–浪涌（沖擊）抗擾度試驗的專業儀器，用于評估電氣和電子設備回路經受雷擊高能瞬變干擾性能。可以模擬符合國際電工委員會IEC 雷電1.2/50 μs、8/20 μs 復合波信號。

經過比選，選定了下列設備構建組成了驗證測試系統組合：雷擊浪涌發生器作為模擬雷電波信號源，雙通道數字示波器作為波形檢測設備，存儲記錄儀記錄測試中的波形和測試數據。

2.3 試驗點選定及檢測內容

依據選取原則，篩選了雷電損壞發生率高、投運時間長的典型場站系統防護設備進行抽查和實施專業級的檢測。重點對其信號系統浪涌抑制保護、流量計算機和管道壓力、氣體溫度的變送裝置等進行了檢查和測試。測得的關鍵數據見表1。

表1 站點的現場計量相關設備及外圍保護器件實測關鍵數據表

3 數據與故障現象的關聯分析

通過測定數據比對設備的標稱參數值，對照信號浪涌保護器參數分析可得：各站現場計量變送器模塊內置保護器與流量計量裝置外設保護器件的在保護電壓的級差選型是正確的。流量計量裝置24 V 電源端口保護所設置的32 V 等級選型處于合理的水平。但其響應時間200 ns 明顯與其他信號型的2 ns 以下的差距很大。推斷是導致系統雷擊損壞率高的主因。

3.1 電路結構及元件的驗證剖析

首先通過查驗和分析其遠傳通信接口電路，圖5為數據遠傳接口（RS485）的內置保護電路圖。

圖5 RS485通信保護接口電路圖

其保護元件采用背靠背連接的瞬態電壓抑制二極管，過電壓保護時瞬時耐受電流只有不到1 kA，可以有效應對小電流高壓靜電的沖擊，卻難以承受線路引入可能超越5 kA 的雷擊浪涌電流。但電路模塊是廠家定型產品，無法改變。系統建設時為流量計算機外部增設更大抗浪涌能力的保護裝置來實現有效的防雷保護。從以上各站的檢測數據分析可見，加強級的外置SLP07D 信號保護SPD 保護電壓Up 要比流量計算機485通信模塊內部保護電路的保護電壓Up 高1 V，也就是偏高12%，更重要的是SLP07D 其2 ns 響應時間也比內置瞬態電壓抑制二極管的0.2 ns 慢一個數量級。這樣就造成外置加強級保護對侵入的雷電流的分流就會比內置電路少，達不到接替計算機內置電路保護功能的目的，起不到應有的保護作用。雷電浪涌侵入時越過外置加強級保護直接沖擊自身保護功能薄弱的流量計算機，造成器件損壞。

進一步拆解電源端口保護浪涌保護器（SPD），其采用的是陶瓷氣體放電管作為主限壓元件，詳見圖6。此器件具有通流能力強、壽命長等優點。但其導通延時長、殘余電壓高，是不適合與要求保護響應快的流量計算機設備匹配的。分析其是導致系統電源回路雷擊損壞率高的關鍵原因。

圖6 陶瓷氣體放電管SPD

4 驗證結果的綜合判定與結論

本次通過選定3個典型站點。確定驗證方法和搭建試驗裝置，從現場型流量計量系統雷電防護主設備開始，重點對其系統中雷擊導致損壞率高的信號、電源、通信回路的內置保護單元、外置加強級浪涌保護器（SPD）等進行了逐一測試，以取得的數據和歷史記錄資料，對損壞的組件進行了細致入微的拆解剖析，得出如下分析結論。

（1）通過數據分析，現場計量變送器模塊內置保護器與流量計量裝置外設保護器件的保護電壓的級差選型正確，雷擊損壞率低。

（2）通過數據分析，計量裝置24 V 電源端口保護電壓等級選型合理，但其內部主元件響應時間明顯不足。殘余電壓偏高，不適配流量計量系統電源回路快速響應的保護需求，是導致系統電源回路雷擊損壞率高的重要原因。

（3）通過損壞現象剖析及對其元器件性能參數比對，確認RS485通信端口外置信號浪涌抑制器的保護電壓比流量計算機內置電路的保護電壓偏高、響應時間過慢，導致外置加強級浪涌保護起不到應有的保護作用。造成在雷災高發期流量計算機器件損壞頻繁。

5 結語

基于以上現場型流量計量系統防雷性能失效分析出存在的系統缺陷，制定針對性的解決方案：對計量裝置24 V 電源（端口）保護器重新選型并更換，適配其快速響應的保護需求；為RS485通信端口外置信號浪涌抑制保護器重新選型更換，確保外置保護的各項參數優于內部模塊，提供有效的保護；增強現場型計量設備與上位機的等電位連接，以降低雷電感應在傳輸回路上的脈沖電流；在條件具備的站點可將流量計算機遷移至室內，以降低雷擊幾率。