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          電磁流量計的防雷電技術探討

          來源:作者:發表時間:2017-09-29 09:06:25

           【摘要】本文根據供水企業電磁流量計的使用和分布特點,分析了雷電直擊、雷電波侵入、雷電感應對電磁流量計的損害,提出了有針對性的雷擊防護措施。

           
                  近年來,電磁流量計由于其線性好、量程比寬、可靠性強和精確度高等特點,在供水行業中得到了廣泛應用,尤其在推行智能化的廣州地區,其使用范圍涵蓋水廠工藝投加計量、進出廠水計量,加壓站進出水計量、分區水量計量、用戶售水結算計量等領域,對供水管理起著極其重要的作用。與此同時,電磁流量計仍然存在著容易受電磁干擾、耐壓和耐流能力差等弱點,其一旦受到直接雷擊或感應雷擊,雷電過電壓和過電流就會通過電源線、信號線或穿線管等途徑引入到流量計,影響流量計的正常運行。如果防護不當,不僅使流量計工作失靈損壞,更會使企業的生產計劃和供水調度受到影響,甚至會給企業帶來經濟利益的損失。因此,現代智能供水系統的流量計維護,尤其需要高度重視防雷的設計管理。
           
                  本文僅從供水行業中電磁流量計的雷電防護設計方面,探討一些具體的可遵循的方法。
           
          一、概述雷擊對電磁流量計破壞途徑
                  雷擊對電磁流量計的破壞,從形式上可分為直接雷擊與感應雷擊。直接雷擊是指帶電云層與建筑物、儀表箱或防雷裝置之間發生的迅猛放電現象,雷電流通常會沿著管線進入流量計的傳感器模件,進而損壞流量計的電子線路板。感應雷擊的破壞也稱為二次破壞,它分為靜電感應雷擊和電磁感應雷擊兩種。靜電感應雷是當雷云對地放電或云間放電時,云層中的負電荷在瞬間消失,那么在線路上感應出的這些被束縛的正電荷也就在一瞬間失去束縛,在電勢能的作用下,這些正電荷將沿著線路產生大電流沖擊,進而破壞儀表。電磁感應雷則是在雷電閃擊時,由于雷電流的變化率大,而在雷電流的通道附近就會形成一個很強的感應電磁場,對儀表箱內的流量計造成干擾、破壞,通過管道、電纜將高電位引入到電磁流量計,造成干擾和破壞。
           
                  根據供水設備管網的分布與監測特點,電磁流量計廣泛覆蓋于城市的各個位置,概括的講,其分布位置可分為兩大類。一類是安裝于儀表設備房內或樓宇設備箱內,此類流量計基本裝在城市建筑物防雷設施系統的覆蓋范圍內,加上儀表本身體積較小,因此,流量計直接接閃的可能性較小;另一類則由于受場地和安裝條件的限制,基本處于郊外空曠獨立的儀表箱中,這就需要較長電源線、信號線和勵磁線進行線路敷設,當雷擊發生時,靠近雷擊點的電纜產生感應電壓,并向地傳導,形成瞬間電涌電壓或電流,電纜中的電涌傳遞到流量計,造成儀表的軟件或硬件故障。對防雷設計而言,要根據流量計的安裝位置、年預計雷擊次數、防雷等級等綜合因素確定實施防雷工程。
           
          二、電磁流量計防雷的主要措施
                  雷擊對電磁流量計的破壞途徑是多方面的,儀表箱周圍空曠,沒有較高的建筑物,表箱的金屬構件很容易落雷,為防止直接落雷,需修建一個防直擊雷的避雷針。而在對流量計被雷擊的故障統計中,遭遇感應雷致使流量計損壞的概率非常高的,感應雷進入系統的途徑主要有交流供電電源、地下供水管道以及儀表室建筑物本身,所以防雷方案設計應該采用多種避雷裝置,即綜合性防雷措施,這些措施主要包括接閃、分流、接地、屏蔽和設置浪涌保護器等。這些措施必須綜合運用,才能真正達到計量儀表系統的防雷。
           
          2.1 防直擊雷
                  防直擊雷的裝置主要采用接閃器系統,由接閃器、引下線和接地裝置 3 部分組成。接閃器位于防雷裝置的頂部,其作用是利用其高出被保護物的突出地位把雷電引向自身,承接直擊雷放電,并通過引下線和接地體安全地引入地下,使接閃器下部保護范圍內的建筑物和設備免受直接雷擊。由于供水設施儀表室房體較小,可在儀表室較長的一邊中點處做垂線,以外墻為起點,距墻體 3 米處制作一個獨立避雷針,其高度按照室高與針高 1:3 的比例進行設計,接地極采用熱鍍鋅角鋼,規格為 50mm×50mm×5mm,長度為 2.5米,垂直打入地下,頂端距地面大于 0.8 米,間距為 5 米。 
           
          2.2 防感應雷
                  電磁流量計內部器件大量采用半導體和集成電路,由雷擊產生的瞬態電磁脈沖可以直接輻射到這些元器件上,也可以在電源或信號線上感應出瞬態過電壓波,沿線路侵入流量計設備,使流量計工作失靈或損壞。為防止感應雷擊,本文采用以下幾種防護措施。
           
          2.2.1 屏蔽與接地
                  屏蔽是利用屏蔽體來阻擋或衰減電磁脈沖的能量傳播是一種有效的防護措施。為了防止雷電電磁脈沖在信號或電源線路上感應出瞬態過電壓波,流量計信號線、勵磁線及低壓電源線都應采用有金屬屏蔽層的電纜,盡量避免電纜裸露于保護管之外。就瞬態過壓防護而言,信號線或電源線的屏蔽層應沿線路單點接地,并將電纜敷設在鋼制電纜槽盒、金屬管內,以此抑制低頻干擾。
           
                  為了使儀表可靠接地,提高測量精度,不受外界寄生電勢的干擾,傳感器應有良好的單獨接地,且一般接地電阻應小于 10 歐姆。當傳感器安裝在絕緣管道時,傳感器兩側應裝有接地環,然后通過導線與傳感器接地端連接一同接地。接地電極采用耐蝕合金材料制成,并與管軸互成 180 度分布。此外,傳感器、轉換器的回路接地及屏蔽接地也應予以足夠的重視。
           
          2.2.2 加裝浪涌保護器(SPD)
                  在儀表室的屏蔽和接地措施達不到保護相應電氣及電子設備的要求時,為減少電磁脈沖破壞的強度,應根據實際情況加裝多級浪涌過電壓防護器,它是一種用于保護各種電子設備、儀器儀表、通訊線路免遭雷電電磁脈沖或操作過電壓破壞的電子裝置。在實際應用中,可采取有效的并聯箝位元件,加上濾波器,組成串聯式的浪涌抑制器是,這是最有效的浪涌保護方法。
           
                  另外,為增加防雷安全系數,在流量計前端增加 UPS,雖然UPS 的作用是在供電系統突然停電或電壓不足時對設備提供支持,起到保護電氣和電子系統、處理控制器免受部分或全部損壞的作用,但在這里是利用 UPS 的另一個功能,當避雷器不能完全泄掉侵入的雷電時,便會將 UPS 擊毀,從而起到最后保護流量計不被損壞的作用,選用 UPS 最主要的原因是價格低廉。
           
          三、應用實例
                  以白云供水所所屬廣州電飯煲廠對開管網電磁流量計為例,該表供電電壓是 220VAC,由轉換器和傳感器構成,兩者之間通過勵磁線和信號線連接,信號傳輸采用模擬 4~ 20mA 標準信號疊加HART 協議,數字信號電平為 24VDC。根據目前的雷電防護技術和過壓防護標準 IEC61000 - 4-5、ITU- TK20 /K21 及國標 GB9043 關于雷擊浪涌抗擾度測試條文,結合現場實際情況,采取如下防護措施。
           
                  1.利用雷電接閃器系統防止直擊雷的侵害;
                  2.采用多層次的電磁屏蔽降低或限制感應過電壓的產生;
                  3.采用 1:1 電感器電源隔離方式解決,其原理是:與普通變壓器的原理是一樣,利用電磁感應原理,利用變壓器的隔離作用,組成雙隔離變壓器,即兩組變壓器連接,初級單相 AC220V,次級也是單相 AC220V,次級重新接地,使一次側與二次側的電氣完全通道絕緣且回路隔離,利用其鐵芯對高頻損耗大的特點,從而抑制高頻雜波傳入控制回路;與此同時,對有些零線和地線之間電壓要求比較高的設備,采用隔離變壓器次級重新接地方法,減小設備零線對地電位。通過采用雙隔離變壓器措施,加強保護,提高供電電源純凈度和抗干擾用的能力,隔離電網的諧波干擾和不穩定電壓,從而起到穩壓、防雷、濾波作用。
           
          四、結語
                  電磁流量計防雷設計是一項綜合的工程,在實際工程設計中,為了達到系統的防雷,要從儀表室、儀表信號和電源線等多方面考慮,綜合采用接閃、屏蔽、等電位連接、接地、電涌保護等多種措施,另外需要電氣、建筑等專業協同合作來實現,除了考慮系統安全性以外,還要考慮投資的成本、運行的經濟性。 
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