首页 >> 行业知识 >> 制氮机(制氮设备)电气系统

两套6500m3 / h 空分设备
采用DCS 系统控制, 于2004 年初投入运行。2004 年
7 月至8 月间, 发生了3 次因感应雷击而造成全面停
产的事故, 并造成变送器、在线分析仪表等多台仪
器仪表的损坏, 直接经济损失20 多万元。另外, 因
空分设备的停车, 造成炼钢厂全面停产, 严重影响
了长流程炼钢生产线的正常运行。
1  感应雷击直接损坏情况
(1) 现场一次仪表损坏: 主要是现场压力、差
压变送器内部线路板的损坏。
(2) 二次仪表的输入、输出通道损坏: 主要是
流量积算仪的变送输出部分通道、轴振动巡检仪的
输出通道、在线分析仪表的变送输出部分通道以及
部分DCS 的模拟量输入通道。
2  造成感应雷击损坏的原因分析
211  直接感应电压损坏仪表
空气的击穿电压为500kV/ m , 因此要击穿空气,
电压要达到几十万伏以上。
然而所损坏线路板均没有烧焦、烧黑现象, 说
明引入的过电压并没有上万伏; 再则气路部分外穿
铜管接地, 不可能从气路引入上万伏过电压。因此,
可以排除雷电的直接感应电压造成仪器仪表损坏。
212  从电源部分引入的感应雷损坏仪表
从现场分析, 整个仪控系统采用的是单独电源
柜, 并经UPS 稳压整流后供给控制器及变压器使用,
变压器输出24V 直流电压给现场仪表供电。从仪控
电源柜到控制柜间均有空气开关控制, UPS 带过压
保护。经检查, 所有空气开关、UPS 过压保护均没
有动作, 而且控制控制柜的电源板卡也没有损坏,
从上分析说明没有强的感应雷从电源部分引入。
213  地电位的反击损坏仪表
任何接地点都存在接地电阻, 经实测控制柜接
地电阻为113Ω 和112Ω, 符合规定标准, 但所有现
场变送器在安装时均没有单独接地, 仅仅通过连接
的螺栓与屏蔽电缆的金属网层连接。整个接地系统
基本构成如图1 所示。
图1  接地系统基本构成图
  假设在变送器A 处螺栓与屏蔽电缆网未可靠连
接就存在接地电阻, A 处接闪雷电流I = 10kA , Ra
=4Ω, 则在Ra 处产生的电压V = 40kV , 而在控制
系统中R0 处未接闪雷, 接地电阻也较小, R0 处电
压理论上为0 , 则Ra 和R0 之间存在较高电位差;
同样Rb 处虽然也未接闪雷, 且Rb 处电压也较小。
但因Ra 处存在较高电位, 所产生的电流较大, 可分
别沿着控制系统的信号电缆分流, 而此电流远大于
仪表的工作电流4~20mA , 因此引起电气元件的
损坏。
对损坏仪器的分析发现, 分析仪表、变送器等
均为变送输出部分损坏, 而且部分变送器经对地放
电后, 能恢复正常, 为典型的有强电流经过, 而使
仪表进入工作死区。并且控制系统的AI (模拟量输
入) 通道也有不同程度损坏, 亦证明了该通道曾经
有短时间的较强电流通过。
因现场露天仪表较多, 有某个现场仪器接闪雷
后, 有强电流进入仪器, 而该仪器接地电阻较高,
产生高电压, 其他仪器的静电压几乎为0 , 就在信
号电缆两端存在较大的电压差, 也就形成较大的电
流。此电流通过控制系统及其他仪表输出通道进行
分流, 因瞬时电流过大而损坏仪表仪器的输出部分。
又因空分行业的安全特殊性, 当压力等其他重要参
数发生异常, 为保护设备和生产安全就会自动保护
性停车。
3  防雷方案的探讨
311  等电位连接
等电位连接是消除强电压差和分担强电流的主
要手段, 可分防雷等电位连接和电气安全等电位连
接。它们都是将分开的导电装置各部分用等电位连
接导体做等电位连接, 以减少在雷击下或电气装置
故障下可能在这些部位之间产生的电位差。但防雷
等电位连接还包括不能直接连接的带电导体和信息
线缆, 当出现危及线路绝缘和设备的电位时, 通过
安装浪涌保护器(SPD) 实现瞬态等电位连接, 即出
现危险电位时, SPD 动作, 以减少两端的电位差。
均压和分流就是在雷电过电压、过电流传至最终保
护对象的通道(电源线和信号传输线) 上设置一~
三级防雷保安器, 最前面一、二级防雷保安器将对
雷击产生的过电流泄放入地和对过电压进行衰减,
以减少进入最终保护对象的雷电强度, 三级防雷保
安器对剩余的雷电过电压进行限压, 确保设备安全。
具体实施方案是: 在主控室走道上的3 排变送
器安装处设置等电位连接排, 如图2 所示。变送器
外壳、浪涌保护器和金属构件的接地都就近连接到
等电位连接排上, 每处等电位连接排至少有两处连
接到金属走道上, 金属走道可焊接到共用接地系统,
等电位连接排采用30mm×3mm的方形铜排。为实现
气体纯度分析室、主控室的等电位, 将走道上的等
电位排延伸到气体纯度分析室、主控室内, 并将气
体纯度分析室、主控室的设备外壳接地、静电地板
接地、浪涌保护器接地、变送器外壳接地和金属构
件的接地都就近连接到等电位连接排上, 并且每处
等电位连接排至少有两处连接到共用接地系统。
312  屏蔽
设置机房屏蔽、导线屏蔽、设备或部件屏蔽,
将减小通过电磁耦合感应到设备上来的过电压、过
电流而引起的雷电电磁脉冲。为减少电磁干扰的感
应效应, 应对线路采取屏蔽措施, 根据GB 50057 —
94 标准, 线路经屏蔽处理后, 其电磁感应强度降低
到未屏蔽时的30 %。同时应该注意的是当线缆外穿金属管屏蔽时, 应将屏蔽作用的金属两端接地, 当
系统要求一端接地时, 应采用双层屏蔽措施, 如果
外金属管只一端接地, 该金属只起到防止静电感应
的作用, 不能防止雷击电磁脉冲的冲击。因此在各
个变送器的输入铠装层应与转接头可靠连接, 并在
两端连接到共用接地系统中, 同样, 气路引入的金
属层也应接到共用接地体上。
在主控室、氮压站、氩压站和分析室的各个窗
户外设10mm×10mm 的金属网屏蔽层, 并可靠连接
到共用接地系统中, 各个安装变送器的室外玻璃钢
罩采用内衬10 目的金属网屏蔽层方式, 并实现屏蔽
接地。
313  安装浪涌保护器
浪涌保护器从本质上看就是一种等电位连接材
料, 其选型就是指在不同的防雷区内, 按照雷击电
磁脉冲的强度和等电位连接点的位置, 决定位于该
区域内的电子设备采用何种浪涌保护器, 实现与共
用接地体等电位联结。可分为供电系统和电子信息
系统浪涌保护。
31311  供电系统浪涌保护
针对此次发生雷击事故的区域, 在仪表配电屏
的三相总开关后、主控机柜的单相双电源输入端的
总开关后及在分析室机柜的单相输入端的总开关后
分别并联安装电源防雷箱, 防止感应雷从电源部分
进入仪器。
31312  DCS 信息系统浪涌保护
在现场变送器和分析仪的信号输入处并联安装
管接式屏蔽信号避雷器, 因采用特殊的信号并联技
术, 既对原有检测信号没有衰减和放大, 又能防止
感应雷沿信号线进入仪器。
4  避雷方案实施及效果
利用停产机会, 5 月份在易受感应雷袭击的电
器仪表上并联安装了系列防雷装置, 共安装三相电
源防雷箱22 只、管式屏蔽信号避雷器178 个和导轨
式信号避雷器12 个, 同时在相应区域的窗户上及外
置式变送器箱内安装了屏蔽网, 设置了等电位连接
排, 进行等电位连接, 使这些仪表仪器得到了有效
保护。
通过实施避雷系统的改进, 有效地防止了感应
雷对仪表仪器的损坏, 2005 年夏季未发生因感应雷
击而造成停车、停产事故, 不仅降低了仪控系统的
维修维护费用, 而且保证了氧气的正常供应及长流
程炼钢生产线的正常运行, 取得了较好的实践经验
和良好的经济效益。