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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佈特點··,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··,電磁流量計由於其線性好╃☁│·、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··,尤其在推行智慧化的廣州地區··,其使用範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╃☁│·、分割槽水量計量╃☁│·、使用者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透過電源線╃☁│·、訊號線或穿線管等途徑引入到流量計··,影響流量計的正常執行╃✘✘↟。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排程受到影響··,甚至會給企業帶來經濟利益的損失╃✘✘↟。因此··,現代智慧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╃✘✘↟。直接雷擊是指帶電雲層與建築物╃☁│·、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感測器模件··,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╃✘✘↟。靜電感應雷是當雷雲對地放電或雲間放電時··,雲層中的負電荷在瞬間消失··,那麼線上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衝擊··,進而破壞儀表╃✘✘↟。電磁感應雷則是在雷電閃擊時··,由於雷電流的變化率大··,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··,透過管道╃☁│·、電纜將高電位引入到電磁流量計··,造成干擾和破壞╃✘✘↟。
 
        根據供水裝置管網的分佈與監測特點··,電磁流量計廣泛覆蓋於城市的各個位置··,概括的講··,其分佈位置可分為兩大類╃✘✘↟。一類是安裝於儀表裝置房內或樓宇裝置箱內··,此類流量計基本裝在城市建築物防雷設施系統的覆蓋範圍內··,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;另一類則由於受場地和安裝條件的限制··,基本處於郊外空曠獨立的儀表箱中··,這就需要較長電源線╃☁│·、訊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··,並向地傳導··,形成瞬間電湧電壓或電流··,電纜中的電湧傳遞到流量計··,造成儀表的軟體或硬體故障╃✘✘↟。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··,沒有較高的建築物··,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機率非常高的··,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築物本身··,所以防雷方案設計應該採用多種避雷裝置··,即綜合性防雷措施··,這些措施主要包括接閃╃☁│·、分流╃☁│·、接地╃☁│·、遮蔽和設定浪湧保護器等╃✘✘↟。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採用接閃器系統··,由接閃器╃☁│·、引下線和接地裝置 3 部分組成╃✘✘↟。接閃器位於防雷裝置的頂部··,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··,並透過引下線和接地體安全地引入地下··,使接閃器下部保護範圍內的建築物和裝置免受直接雷擊╃✘✘↟。由於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··,以外牆為起點··,距牆體 3 米處製作一個獨立避雷針··,其高度按照室高與針高 1₪╃:3 的比例進行設計··,接地極採用熱鍍鋅角鋼··,規格為 50mm×50mm×5mm··,長度為 2.5米··,垂直打入地下··,頂端距地面大於 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採用半導體和積體電路··,由雷擊產生的瞬態電磁脈衝可以直接輻射到這些元器件上··,也可以在電源或訊號線上感應出瞬態過電壓波··,沿線路侵入流量計裝置··,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 遮蔽與接地
        遮蔽是利用遮蔽體來阻擋或衰減電磁脈衝的能量傳播是一種有效的防護措施╃✘✘↟。為了防止雷電電磁脈衝在訊號或電源線路上感應出瞬態過電壓波··,流量計訊號線╃☁│·、勵磁線及低壓電源線都應採用有金屬遮蔽層的電纜··,儘量避免電纜裸露於保護管之外╃✘✘↟。就瞬態過壓防護而言··,訊號線或電源線的遮蔽層應沿線路單點接地··,並將電纜敷設在鋼製電纜槽盒╃☁│·、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··,感測器應有良好的單獨接地··,且一般接地電阻應小於 10 歐姆╃✘✘↟。當感測器安裝在絕緣管道時··,感測器兩側應裝有接地環··,然後透過導線與感測器接地端連線一同接地╃✘✘↟。接地電極採用耐蝕合金材料製成··,並與管軸互成 180 度分佈╃✘✘↟。此外··,感測器╃☁│·、轉換器的迴路接地及遮蔽接地也應予以足夠的重視╃✘✘↟。
 
2.2.2 加裝浪湧保護器(SPD)
        在儀表室的遮蔽和接地措施達不到保護相應電氣及電子裝置的要求時··,為減少電磁脈衝破壞的強度··,應根據實際情況加裝多級浪湧過電壓防護器··,它是一種用於保護各種電子裝置╃☁│·、儀器儀表╃☁│·、通訊線路免遭雷電電磁脈衝或操作過電壓破壞的電子裝置╃✘✘↟。在實際應用中··,可採取有效的並聯箝位元件··,加上濾波器··,組成串聯式的浪湧抑制器是··,這是**有效的浪湧保護方法╃✘✘↟。
 
        另外··,為增加防雷安全係數··,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裝置提供支援··,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··,但在這裡是利用 UPS 的另一個功能··,當避雷器不能完全洩掉侵入的雷電時··,便會將 UPS 擊毀··,從而起到**後保護流量計不被損壞的作用··,選用 UPS **主要的原因是價格低廉╃✘✘↟。
 
三╃☁│·、應用例項
        以白雲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··,由轉換器和感測器構成··,兩者之間透過勵磁線和訊號線連線··,訊號傳輸採用模擬 4~ 20mA 標準訊號疊加HART 協議··,數字訊號電平為 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 關於雷擊浪湧抗擾度測試條文··,結合現場實際情況··,採取如下防護措施╃✘✘↟。
 
        1.利用雷電接閃器系統防止直擊雷的侵害;
        2.採用多層次的電磁遮蔽降低或限制感應過電壓的產生;
        3.採用 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··,即兩組變壓器連線··,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迴路隔離··,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迴路;與此同時··,對有些零線和地線之間電壓要求比較高的裝置··,採用隔離變壓器次級重新接地方法··,減小裝置零線對地電位╃✘✘↟。透過採用雙隔離變壓器措施··,加強保護··,提高供電電源純淨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╃☁│·、儀表訊號和電源線等多方面考慮··,綜合採用接閃╃☁│·、遮蔽╃☁│·、等電位連線╃☁│·、接地╃☁│·、電湧保護等多種措施··,另外需要電氣╃☁│·、建築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╃☁│·、執行的經濟性╃✘✘↟。 
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