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石油化工仪表防雷接地系统设计与实现研究

发布时间:

2023-11-29 09:03

动化生产是工业发展过程中的显著进步, 随着自动化程度的加深, 在石油化工生产中, 需要使用到大量的自动化仪表设备来检测生产设备。 为了保证自动化仪表设备不会受到高压电、 电磁脉冲的影响, 必须做好对自动化仪表设备接地保护工作, 防雷接地保护系统就是为了保护自动化仪表设备而产生的, 其可以有效的防止雷击对自动化仪表设备造成的影响。 在设计防雷接地保护系统时, 要对雷击现象进行充分的分析, 找出雷击对自动化仪表设备的影响因素, 进而在设计系统时可以考虑的更加全面, 最终让接地保护系统的功效更加显著。

1 雷击对自动化仪表设备的影响因素

1. 1 直击雷对自动化仪表设备的影响

直击雷是雷击中最常见的影响因素, 当仪表设备或其他关联电路直接被雷电击中后, 其内部的传感器模板或电子线路板会被直接烧穿, 进而让仪表设备或关联电路损坏。 同时,直接雷携带的电流直接接触仪表设备时, 会顺着仪表设备导入大地, 这个导入过程会产生一个范围较大的磁场, 该磁场会将通信线路及其他信号传输装置造成破坏, 进而使仪表设备的通信端失灵, 无法实现应有的信息传输功能。

1. 2 雷击感应对自动化仪表设备的影响

与地面接触的物体都会有不同程度的电流传导能力, 其中携带大量自由电荷的物体导电能力更强。 因此, 在雷雨天,自动化仪表设备周围的物体出现放电现象, 其释放的电流就有可能传导到自动化仪表设备中, 进而让仪表设备中的电路出现损坏。

1. 3 过电压对自动化仪表设备的影响

雷击分为两种类型, 一种为直击雷, 另一种为感应雷,这两种雷击现象都会形成过高的电压, 这些过电压流入到信号传输线路、 仪表设备电路, 就会对仪表设备中的精密组件造成损害, 进而引起检测失灵、 设备损坏、 火灾等危害。

1. 4 放电现象对自动化仪表设备的影响

一些防雷系统设计的不合理, 在吸收雷击后, 会将雷击携带的大量电流倒入到地面, 而地面也是具有电阻的, 不能将这些电流有效分散, 就会让电路不能迅速的释放, 进而出现局部区域电位上涨的问题。 而如果电位上涨区域与仪表设备接地位置过近, 就会将电位上涨区域的电流顺着接地点传导到仪表设备上, 进而产生反击电流的现象, 反击电流会将仪表设备的控制电路烧毁, 进而让仪表设备失灵。

2 接地装置的分类及在防雷接地系统中的应用

接地装置以其具体作用可分为工作接地、 保护接地以及静电接地。

2. 1 工作接地的应用

工作接地的作用是为了确保自动化仪表设备的正常运行, 其具有抗干扰能力, 其根据安装位置以及功能的不同,可以细分为屏蔽用接地、 本安仪表系统接地以及信号回路用接地。

(1) 屏蔽用接地, 其主要功能就是过滤电磁干扰, 过线缆绝缘管及桥架等接地, 实现与仪表设备电气接地网的连接, 可以有效避免电磁干扰对仪表设备连接电缆的影响。另一种是将仪表设备控制室内的信号线屏蔽层直接连接到地面, 信号源接地时, 需要保证信号与屏蔽层都与地面连接,而线缆的屏蔽应通过单点接地的方式连接地面。

(2) 本安仪表系统接地, 本安仪表系统主要由本安仪表以及安全限能器组成, 安全限能器分类两类, 一种为齐纳式安全栅, 另一种为隔离式安全栅, 两类安全限能器都可以实现对电压电流的限制, 其布置在本质安全电路与非本质安全电路之间的位置。 由于安全限能器本身就具有的电压电流限制功能, 因此在设计防雷接地系统时, 可以不对该装置设置接地。 齐纳式安全栅主要由快速熔断器、 限压二极管以及
限流电阻组成, 但是其安装要求较高, 必须以可靠的接地系统为基础, 因此其安装及使用的条件比较苛刻。 隔离式安全栅通过输入端、 输出端以及电源端之间的相互电气隔离实现对电流电压的限制, 安装时不需要相应的接地系统作为基础条件, 因此具有较高的应用价值

(3) 信号回路用接地, 自动化仪表设备的信号系统没有设置屏蔽保护时, 必须对其进行负极接地, 这样可以让信号系统形成信号回路, 进而完成对信号系统的保护。 当信号系统设置有屏蔽保护时, 可以减少负极接地的步骤。

2. 2 保护接地的应用

保护接地主要作用是防止仪表设备带电, 确保不会出现仪表设备带电危害工作人员生命安全的事故。 在石油化工生产中, 设备外壳不带电, 是安全生产的基本标准, 但是在设备的使用过程中, 设备外壳往往会受到外界环境因素的影响,绝缘材料的老化、 破损会让设备的绝缘能力下降, 进而让电缆的电流导入到设备外壳上, 此时工作人员碰触到带电设备外壳, 就会出现触电的事故。 在设备外壳上加装保护接地,可以将设备外壳上携带的电流导入地面, 进而减少外壳带电对工作人员的危害。

2. 3 静电接地的应用

静电是自然界中的一种常见现象, 仪表设备上产生的静电如果不能及时释放, 就会干扰仪表设备的信号系统以及检测装置, 不仅会影响仪表设备的检测质量, 严重时也会降低仪表设备的使用寿命, 甚至让仪表设备及信号系统出现损坏。在进行防雷接地系统设计时, 应该确保较好的静电接地设计质量, 静电接地电阻必须控制在 100Ω 以下, 安装时技术人员必须遵照设计标准进行操作。

3 防雷接地系统的设计

3. 1 防雷接地系统的构成

在防雷接地系统中, 接地电极、 接地导线以及接地铜排都是系统的重要组件, 在构建防雷接地系统时, 应该保证接地导线截面积符合接地要求, 这样才能保证防雷接地系统的防雷效果, 设计人员应该根据实际情况进行接地导线截面积的选择, 接地导线截面积的具体选择范围如表 1 所示。

3. 2 防雷接地系统的设计标准

在设计防雷接地系统时, 必须保证工作接地与保护接地的接地点在相同的位置, 这样可以防止出现电位差问题。 对一些比较重要的仪表装置, 应该根据实际情况及布置位置的工作环境, 选择相应的隔离方式加以隔离; 对仪表盘、 控制箱等设备应该同时采用工作接地和保护接地进行保护; 设计本安仪表接地及信号回路用接地时, 应该依照相关要求连接工作接地铜排, 确保接地电阻符合接地要求, 接地电阻值不得高于 5Ω , 这样可以确保接地装置具有较高的导电能力。

对仪表控制系统进行防雷接地设计时, 应该着重考虑接地效果, 精确掌握接地电阻的数值。 设计人员应该对接地端到总线板之间的电阻值进行测量, 设计中保证其电阻值在0. 5-1Ω 的范围之内, 仪表小节点系统的接地电阻应该控制在 2-4Ω 的范围之内。

3. 3 防雷接地系统的电路设计

防雷接地系统以 Lm3 58 放大器作为整个系统电路结构的核心, 电路中包括交流放大器、 滤波器、 检波器以及和直流放大器等, 防雷接地系统中采用 MAX3491DSP 芯片作为主控芯片, 同时在电路中加入 ADM706 电压控制芯片, 可以精确的控制防雷接地保护系统的输出电压在 3. 3V 的安全范围之内, 以运算放大装置引导 16 位或 24 位的寻址工作, 利用AD/DA 转换器进行 24 倍频的数模转换, 通过交流放大器的设计, 将防雷接地系统的有效频率范围控制在 200-2000Hz 之内。 交流放大器的具体放大倍数为:

 

在对滤波器的设计中, 级联的方式组件高通检波电路,其可以通过二极管检波电路进行检波, 接地保护耦合的控制通过震荡幅度调制方法来实现, 利用 D/A 转换器将输出电压信号控制在 0-4V 之间。 在滤波器的设计基础之上, 加入直流放大器的设计, 利用 PCB 构成一个完整的防雷接地保护体系, 这样可以对防雷接地保护的直流电流量加以放大, 进而完成对仪表设备的接地保护工作。

4 结束语

自动化仪表设备是确保石油化工安全生产的重要监测设备, 自动化仪表设备的稳定运行, 直接影响着石油化工生产设备的稳定运行。 因此, 石油化工企业必须将仪表防雷接地保护工作重视起来, 根据不同仪表设备的特点, 更加合理的选择接地方式, 做好防雷接地系统的设计工作, 为自动化仪表的安全运行提供基础保障, 进而达到促进石油化工业稳定发展的目的。

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