摘　要：介紹了現(xiàn)代防雷保護(hù)的三道防線(外部保護(hù)、內(nèi)部保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù))，結(jié)合工程實(shí)例，論述了天然氣廠站控制系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)中電源線路和信號(hào)線路電涌保護(hù)器的選取。

關(guān)鍵詞：天然氣廠站  防雷控制系統(tǒng)  電涌保護(hù)器  雷電電磁脈沖  短路電流

Selection of Surge Protector in Control System of Natural Gas Station

Abstract：Three defense lines for modem lightning protection including external protection，internal proteetion and ovexwoltage protection are introduced．The selection of surge protector for power line and sighal line in lightning protection design of control system of natural gas station is described with an engineering example．

Key words：natural gas station；lightning protection；control system；surge protector；lightning eleetromagnetic pulse；short circuit current

1　概述

在天然氣廠站設(shè)計(jì)中，以計(jì)算機(jī)通信技術(shù)和微電子技術(shù)為主的廠站控制系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。廠站控制系統(tǒng)最常使用的可編程控制器(PLC)往往工作在小電流和低電壓狀態(tài)下，絕緣強(qiáng)度較低，容易受到雷電電磁脈沖(LEMP)的沖擊導(dǎo)致破壞。本文以南方某天然氣儲(chǔ)配站項(xiàng)目為例，結(jié)合GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》對(duì)電子系統(tǒng)選用電涌保護(hù)器(SPD)的要求，對(duì)天然氣廠站控制系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)及SPD的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

2　天然氣廠站控制系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)

現(xiàn)代的防雷技術(shù)理論基礎(chǔ)是，雷電是電流源，防雷的基本途徑就是要提供一條雷電流(包括LEMP輻射)對(duì)地泄放的合理的阻抗路徑，而不能讓其隨機(jī)地選擇放電通道。換句話說(shuō)，防雷技術(shù)就是要控制雷電能量的泄放。

現(xiàn)代防雷保護(hù)的三道防線：第一道為外部保護(hù)，就是將絕大部分雷電流直接引入大地泄放；第二道為內(nèi)部保護(hù)，就是阻塞沿電源線、數(shù)據(jù)線或信號(hào)線侵入的雷電波對(duì)設(shè)備的危害；第三道為過(guò)電壓保護(hù)，就是限制被保護(hù)設(shè)備上的雷電過(guò)電壓幅值。

①第一道保護(hù)就是在建筑物上裝設(shè)外部防霄裝置。它雖能將雷擊電流安全泄放入地，保護(hù)建筑物不被雷電直接擊壞，但不能保證建筑物內(nèi)的電氣、電子信息系統(tǒng)設(shè)備免遭雷電沖擊過(guò)電壓、雷電感應(yīng)產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)電壓沖擊。、

因此，建筑物內(nèi)的電子信息系統(tǒng)必須采取等電位連接與接地保護(hù)措施。采取等電位連接可以避免電子設(shè)備之間以及電子設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)危險(xiǎn)的電位差；采取接地保護(hù)可以有效地分流和泄放直接雷擊電流和LEMP能量。

②第二道保護(hù)主要是指根據(jù)實(shí)際要求的電磁場(chǎng)環(huán)境等情況選擇合理的電磁屏蔽措施，以便阻塞和減少LEMP在電子信息系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的浪涌。這些屏蔽措施主要包括建筑物屏蔽、機(jī)房屏蔽、設(shè)備屏蔽、線纜屏蔽等。

③第三道保護(hù)主要指根據(jù)需要保護(hù)的設(shè)備數(shù)量、類(lèi)型、重要性、耐沖擊電壓額定值等因素，選用能量適配的SPD，限制被保護(hù)設(shè)備上的雷電過(guò)電壓幅值，進(jìn)一步減小LEMP的影響。

3　SPD的選取

對(duì)于天然氣廠站控制系統(tǒng)，主要涉及控制系統(tǒng)的電源線路SPD和信號(hào)線路SPD。

①電源線路SPD

在可能出現(xiàn)雷電沖擊過(guò)電壓的建筑物電氣系統(tǒng)內(nèi)，在雷電防護(hù)區(qū)LPZOA(或LPZOB)與LPZl區(qū)交界處，其電源線路進(jìn)線的總配電箱內(nèi)應(yīng)設(shè)置第一級(jí)SPD，用于泄放雷電流并將雷電沖擊過(guò)電壓降低，其電壓保護(hù)水平Up應(yīng)不大于2.5kV。一般此處應(yīng)選用通過(guò)10／350ms波形(規(guī)定的波頭時(shí)間T1為l0ms、半值時(shí)間T2為350ms的沖擊電流)、短路電流為Iimp的I類(lèi)試驗(yàn)的SPD。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，也可選用通過(guò)8／20ms波形(規(guī)定的波頭時(shí)間T1為8ms、半值時(shí)間T2為20ms的沖擊電流)、標(biāo)稱(chēng)放電電流為In的Il類(lèi)試驗(yàn)的SPD作第一級(jí)保護(hù)。如果這一級(jí)SPD未能將電壓保護(hù)水平Up限制在2.5kV以下，則需在下級(jí)分配電箱處設(shè)置第二級(jí)SPD來(lái)進(jìn)一步降低沖擊電壓。第二級(jí)SPD應(yīng)為通過(guò)8／20ms波形、標(biāo)稱(chēng)放電電流為In的Il類(lèi)試驗(yàn)的SPD，并能將電壓保護(hù)水平Up限制在2.0kV以下。

在控制系統(tǒng)儀表專(zhuān)業(yè)設(shè)備間的配電箱內(nèi)或在其電源插座內(nèi)設(shè)置第三級(jí)SPD，此級(jí)SPD應(yīng)為通過(guò)8／20ms波形、標(biāo)稱(chēng)放電電流為In的Il類(lèi)試驗(yàn)或復(fù)合波IIl類(lèi)試驗(yàn)的SPD，其電壓保護(hù)水平Up應(yīng)低于控制設(shè)備所能承受的沖擊電壓的水平，或不大于l.2kV。

為了提高電子信息系統(tǒng)的電源線路電涌保護(hù)的可靠性，應(yīng)保證局部雷電流大部分在雷電防護(hù)區(qū)LPZ0與LPZl的交界處轉(zhuǎn)移到接地裝置，同時(shí)限制各種途徑入侵的雷電浪涌，限制沿進(jìn)線侵入的雷電波、地電位反擊、雷電感應(yīng)。

綜上，建筑物內(nèi)的電源線路電涌保護(hù)通常是多級(jí)配置，以防雷區(qū)分級(jí)，每級(jí)SPD的通流容量足以承受在其位置上的雷電浪涌電流，且對(duì)雷電能量逐級(jí)降低，最終使過(guò)電壓限制在設(shè)備耐沖擊電壓額定值以下。

如果電源線路進(jìn)線的總配電箱內(nèi)設(shè)置了第一級(jí)SPD，其電壓保護(hù)水平Up小于2.5kV，且其后的線纜采取了良好的屏蔽措施，那么這種情況下只需在控制系統(tǒng)儀表專(zhuān)業(yè)設(shè)備間配電箱內(nèi)設(shè)置第二級(jí)SPD即可。

②信號(hào)線路SPD

天然氣廠站控制系統(tǒng)信號(hào)線路SPD一般設(shè)置在控制系統(tǒng)接線柜內(nèi)，也即雷電防護(hù)區(qū)LPZ0和LPZl區(qū)交界處。GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》、GB 50057—2010{建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》均對(duì)信號(hào)線路SPD作出了規(guī)定。要想選取信號(hào)線路能量適配的SPD，關(guān)鍵是確定其短路電流值。尤其對(duì)于第二類(lèi)防雷建筑物來(lái)說(shuō)，如果不進(jìn)行計(jì)算，只能保守地選擇短路電流為l.5kA的SPD。若經(jīng)過(guò)計(jì)算，也許只需選用用于第三類(lèi)防雷建筑物的短路電流為1.0kA的SPD即可滿足設(shè)計(jì)要求，節(jié)省了單臺(tái)SPD的費(fèi)用。

下面以南方某天然氣儲(chǔ)配站為例，對(duì)工程設(shè)計(jì)中所選用的信號(hào)線路SPD短路電流進(jìn)行計(jì)算。

該儲(chǔ)配站包含LNG氣化和天然氣儲(chǔ)配兩個(gè)功能，涉及氣化工藝區(qū)、LNG儲(chǔ)罐區(qū)、工藝裝置區(qū)、消防水泵房、消防水池、生產(chǎn)輔助用房等區(qū)域，工藝過(guò)程中所有控制信號(hào)通過(guò)控制電纜全部送至生產(chǎn)輔助用房一層儀表專(zhuān)業(yè)設(shè)備間內(nèi)的接線柜。按照GB50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)建筑物的防雷分類(lèi)要求，綜合考慮該站發(fā)生雷電事故的可能性和后果、廠站控制系統(tǒng)的重要性、建筑物的使用性質(zhì)，對(duì)該站進(jìn)行防雷建筑分類(lèi)后確定該儲(chǔ)配站生產(chǎn)輔助用房為第二類(lèi)防雷建筑，所有接入生產(chǎn)輔助用房?jī)x表專(zhuān)業(yè)設(shè)備間接線柜內(nèi)的儀表信號(hào)線路均需配置適配的SPD。根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第4．3．8條，如果我們不進(jìn)行計(jì)算，SPD的短路電流需要選取1.5kA。

若根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算，則應(yīng)根據(jù)GB50057—2010第4．3．8條第7款要求，接入該儲(chǔ)配站生產(chǎn)輔助用房?jī)x表專(zhuān)業(yè)設(shè)備間接線柜內(nèi)的SPD短路電流按該規(guī)范公式4．2．4-6進(jìn)行計(jì)算：

式中Iimp——短路電流，kA

I——雷電流，kA

n——直埋或架空引入的儀表保護(hù)套管和電纜的總數(shù)

m——每一保護(hù)套管或電纜內(nèi)導(dǎo)體總芯數(shù)

雷電流，，根據(jù)GB 50057—2010第4．3．8條第7款的要求，取值為l50kA；按照該儲(chǔ)配站的實(shí)際模擬量輸入(AI)、模擬量輸出(AO)、數(shù)字量輸入(DI)和數(shù)字信號(hào)RS485通道總數(shù)統(tǒng)計(jì)，n取值為172；按標(biāo)準(zhǔn)兩線通道使用兩芯線計(jì)，m取值為2。

將各參數(shù)代入規(guī)范中公式4．2．4-6，計(jì)算出該儲(chǔ)配站短路電流Iimp約為0.22kA。

由于規(guī)范中公式4．2．4-6為無(wú)屏蔽層的短路電流計(jì)算公式，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的電纜均有屏蔽層或鎧裝，若按照規(guī)范中公式4．2．4-7計(jì)算，考慮電纜屏蔽層及電纜電阻的因素，該儲(chǔ)配站短路電流Iimp將小于0.22kA。

在施工圖設(shè)計(jì)中，對(duì)于直埋敷設(shè)的電纜，其實(shí)際芯數(shù)總會(huì)大于計(jì)算芯數(shù)，則m值通常會(huì)大于2，這樣SPD的短路電流還會(huì)進(jìn)一步減小。也就是說(shuō)，該儲(chǔ)配站選用的SPD的短路電流Iimp=0.22kA為理論計(jì)算的最大值。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，結(jié)合GB 50057—2010和GB 50343—2012中對(duì)SPD的要求，得出如下結(jié)果：該儲(chǔ)配站生產(chǎn)輔助用房?jī)x表專(zhuān)業(yè)設(shè)備間接線柜內(nèi)信號(hào)線路SPD，選用Dl類(lèi)高能量試驗(yàn)類(lèi)型、短路電流為1.0kA、10／350ms波形的產(chǎn)品即可滿足設(shè)計(jì)要求。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于Dl類(lèi)高能量SPD，短路電流越大價(jià)格也越高。因此在條件允許的情況下，對(duì)SPD短路電流進(jìn)行計(jì)算，選取能量適配的SPD，可以為用戶節(jié)省資金。以上述儲(chǔ)配站為例，通過(guò)計(jì)算，SPD短路電流只需要選用l.0kA即可滿足防雷要求，而不需選用SPD短路電流為1.5kA的產(chǎn)品。該儲(chǔ)配站信號(hào)線路SPD共需200多個(gè)，若按照每臺(tái)SPD節(jié)省300元計(jì)算，可為用戶節(jié)省資金逾6×10⁴元。對(duì)于中等或更大的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，信號(hào)線路SPD的數(shù)量可能需要幾千或者更多，通過(guò)計(jì)算選取適配的SPD將會(huì)為用戶節(jié)省更多的資金。

4　 SPD不同參數(shù)之間的關(guān)系

GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》中均對(duì)電子信息系統(tǒng)信號(hào)線路SPD的短路電流提出了具體要求，但生產(chǎn)廠家銘牌上最常標(biāo)注的是“沖擊電流Iimp”和“標(biāo)稱(chēng)放電電流In”，而很少標(biāo)注“短路電流”，很容易給選型計(jì)算帶來(lái)混亂。那么，SPD參數(shù)中“短路電流”、“沖擊電流Iimp”以及“標(biāo)稱(chēng)放電電流In”之間有何關(guān)系呢?

根據(jù)GB／T l8802．21—2008《低壓電涌保護(hù)器第22部分：電信和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的電涌保護(hù)器(SPD)選擇和使用導(dǎo)則》第6．2．1．3款的內(nèi)容可知，信號(hào)類(lèi)SPD的短路電流應(yīng)根據(jù)制造商指出的SPD的通流容量選擇電流水平，可見(jiàn)對(duì)于信號(hào)類(lèi)SPD的短路電流與通流容量(通流容量通常是Iimp或In)具有直接的關(guān)系。

由GB／T l8802．21—2008《低壓電涌保護(hù)器第22部分：電信和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的電涌保護(hù)器(SPD)選擇和使用導(dǎo)則》第6．2．1．3款的表3可知，在進(jìn)行短路電流測(cè)試時(shí)所使用的沖擊波形cl、c2類(lèi)為8／20ms波形，Dl類(lèi)為l0／350ms波形。通常在SPD測(cè)試時(shí)Iimp就是指用l0／350ms波形進(jìn)行沖擊試驗(yàn)得出的電流值In就是指用8／20ms波形進(jìn)行沖擊試驗(yàn)得出的電流值。

綜合以上兩點(diǎn)可以得出以下結(jié)果：信號(hào)類(lèi)SPD在進(jìn)行Dl類(lèi)試驗(yàn)時(shí)得出的短路電流值等同于信號(hào)線路SPD的Iimp值，在進(jìn)行Cl、C2類(lèi)試驗(yàn)時(shí)得出的短路電流值等同于信號(hào)線路SPD的In值。

本文作者：劉蘭慧

作者單位：中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院第四設(shè)計(jì)研究院