抗干扰培训-专家培训第4-3章SPD的应用

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 2SPD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 IEC62305 4 1 3SPD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 10 350 s 的SPD 其冲击试验分类均相对于 级分类试验 8 20 s的电流波形和1 2 50 s的电压波形 或 级分类试验 8 20 s的短路电流波形和1 2 50 s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GB50057 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 50 s 但UPS可按1 5kV考虑 12 2 3TN 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 Uc 1 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IEC61312 1 1995有关条文的规定 全部的雷电流I 10 350 s 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 100kA 100kA 20kA 20kA 20kA 20kA 20kA 雷击电流的参数 保护等级峰值电流 kA A200B150C D100 Lit IEC61024 1 1 E Rst i t 算例 E 100kA 1 100kV 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10 350 s波形供电线路中每线荷载的雷电流为Im 200 50 5 20kA2 将20kA 10 350 s波形化为8 20 s波形根据IEC61312 计算单位能量W R的公式为 W R 1 2 1 0 7 I2 T2 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 20 350 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 5 108m 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 5 108 75 10 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 5 108 25 10 9 3 75 m 为保险起见 故取5m 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SPDEDINVDE0675 6和 6 A1在L L与L G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 230V标称电流IN16ADIN 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 1SPD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 2I 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 10BASE2以太网 GKF B L 10BASE5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 230V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IP67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 4SPD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 5 108m 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 10 350 s的雷电流通过SPD 设线路的自感为1 H 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 5kV如果 l1 l2 2m则UAB 1 5 2 1 10 10 3 5 kV 2 5kV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 5mm2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 GB50343 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 GB50057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