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电磁流量计

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电磁流量计的防雷电技术探讨

来源:作者:发表时间:2017-09-29 09:06:25

 【摘要】本文根据供水企业电磁流量计的使用和分布特点,分析了雷电直击、雷电波侵入、雷电感应对电磁流量计的损害,提出了有针对性的雷击防护措施。

 
        近年来,电磁流量计由于其线性好、量程比宽、可靠性强和精确度高等特点,在供水行业中得到了广泛应用,尤其在推行智能化的广州地区,其使用范围涵盖水厂工艺投加计量、进出厂水计量,加压站进出水计量、分区水量计量、用户售水结算计量等领域,对供水管理起着极其重要的作用。与此同时,电磁流量计仍然存在着容易受电磁干扰、耐压和耐流能力差等弱点,其一旦受到直接雷击或感应雷击,雷电过电压和过电流就会通过电源线、信号线或穿线管等途径引入到流量计,影响流量计的正常运行。如果防护不当,不仅使流量计工作失灵损坏,更会使企业的生产计划和供水调度受到影响,甚至会给企业带来经济利益的损失。因此,现代智能供水系统的流量计维护,尤其需要高度重视防雷的设计管理。
 
        本文仅从供水行业中电磁流量计的雷电防护设计方面,探讨一些具体的可遵循的方法。
 
一、概述雷击对电磁流量计破坏途径
        雷击对电磁流量计的破坏,从形式上可分为直接雷击与感应雷击。直接雷击是指带电云层与建筑物、仪表箱或防雷装置之间发生的迅猛放电现象,雷电流通常会沿着管线进入流量计的传感器模件,进而损坏流量计的电子线路板。感应雷击的破坏也称为二次破坏,它分为静电感应雷击和电磁感应雷击两种。静电感应雷是当雷云对地放电或云间放电时,云层中的负电荷在瞬间消失,那么在线路上感应出的这些被束缚的正电荷也就在一瞬间失去束缚,在电势能的作用下,这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击,进而破坏仪表。电磁感应雷则是在雷电闪击时,由于雷电流的变化率大,而在雷电流的通道附近就会形成一个很强的感应电磁场,对仪表箱内的流量计造成干扰、破坏,通过管道、电缆将高电位引入到电磁流量计,造成干扰和破坏。
 
        根据供水设备管网的分布与监测特点,电磁流量计广泛覆盖于城市的各个位置,概括的讲,其分布位置可分为两大类。一类是安装于仪表设备房内或楼宇设备箱内,此类流量计基本装在城市建筑物防雷设施系统的覆盖范围内,加上仪表本身体积较小,因此,流量计直接接闪的可能性较小;另一类则由于受场地和安装条件的限制,基本处于郊外空旷独立的仪表箱中,这就需要较长电源线、信号线和励磁线进行线路敷设,当雷击发生时,靠近雷击点的电缆产生感应电压,并向地传导,形成瞬间电涌电压或电流,电缆中的电涌传递到流量计,造成仪表的软件或硬件故障。对防雷设计而言,要根据流量计的安装位置、年预计雷击次数、防雷等级等综合因素确定实施防雷工程。
 
二、电磁流量计防雷的主要措施
        雷击对电磁流量计的破坏途径是多方面的,仪表箱周围空旷,没有较高的建筑物,表箱的金属构件很容易落雷,为防止直接落雷,需修建一个防直击雷的避雷针。而在对流量计被雷击的故障统计中,遭遇感应雷致使流量计损坏的概率非常高的,感应雷进入系统的途径主要有交流供电电源、地下供水管道以及仪表室建筑物本身,所以防雷方案设计应该采用多种避雷装置,即综合性防雷措施,这些措施主要包括接闪、分流、接地、屏蔽和设置浪涌保护器等。这些措施必须综合运用,才能真正达到计量仪表系统的防雷。
 
2.1 防直击雷
        防直击雷的装置主要采用接闪器系统,由接闪器、引下线和接地装置 3 部分组成。接闪器位于防雷装置的顶部,其作用是利用其高出被保护物的突出地位把雷电引向自身,承接直击雷放电,并通过引下线和接地体安全地引入地下,使接闪器下部保护范围内的建筑物和设备免受直接雷击。由于供水设施仪表室房体较小,可在仪表室较长的一边中点处做垂线,以外墙为起点,距墙体 3 米处制作一个独立避雷针,其高度按照室高与针高 1:3 的比例进行设计,接地极采用热镀锌角钢,规格为 50mm×50mm×5mm,长度为 2.5米,垂直打入地下,顶端距地面大于 0.8 米,间距为 5 米。 
 
2.2 防感应雷
        电磁流量计内部器件大量采用半导体和集成电路,由雷击产生的瞬态电磁脉冲可以直接辐射到这些元器件上,也可以在电源或信号线上感应出瞬态过电压波,沿线路侵入流量计设备,使流量计工作失灵或损坏。为防止感应雷击,本文采用以下几种防护措施。
 
2.2.1 屏蔽与接地
        屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或衰减电磁脉冲的能量传播是一种有效的防护措施。为了防止雷电电磁脉冲在信号或电源线路上感应出瞬态过电压波,流量计信号线、励磁线及低压电源线都应采用有金属屏蔽层的电缆,尽量避免电缆裸露于保护管之外。就瞬态过压防护而言,信号线或电源线的屏蔽层应沿线路单点接地,并将电缆敷设在钢制电缆槽盒、金属管内,以此抑制低频干扰。
 
        为了使仪表可靠接地,提高测量精度,不受外界寄生电势的干扰,传感器应有良好的单独接地,且一般接地电阻应小于 10 欧姆。当传感器安装在绝缘管道时,传感器两侧应装有接地环,然后通过导线与传感器接地端连接一同接地。接地电极采用耐蚀合金材料制成,并与管轴互成 180 度分布。此外,传感器、转换器的回路接地及屏蔽接地也应予以足够的重视。
 
2.2.2 加装浪涌保护器(SPD)
        在仪表室的屏蔽和接地措施达不到保护相应电气及电子设备的要求时,为减少电磁脉冲破坏的强度,应根据实际情况加装多级浪涌过电压防护器,它是一种用于保护各种电子设备、仪器仪表、通讯线路免遭雷电电磁脉冲或操作过电压破坏的电子装置。在实际应用中,可采取有效的并联箝位元件,加上滤波器,组成串联式的浪涌抑制器是,这是最有效的浪涌保护方法。
 
        另外,为增加防雷安全系数,在流量计前端增加 UPS,虽然UPS 的作用是在供电系统突然停电或电压不足时对设备提供支持,起到保护电气和电子系统、处理控制器免受部分或全部损坏的作用,但在这里是利用 UPS 的另一个功能,当避雷器不能完全泄掉侵入的雷电时,便会将 UPS 击毁,从而起到最后保护流量计不被损坏的作用,选用 UPS 最主要的原因是价格低廉。
 
三、应用实例
        以白云供水所所属广州电饭煲厂对开管网电磁流量计为例,该表供电电压是 220VAC,由转换器和传感器构成,两者之间通过励磁线和信号线连接,信号传输采用模拟 4~ 20mA 标准信号叠加HART 协议,数字信号电平为 24VDC。根据目前的雷电防护技术和过压防护标准 IEC61000 - 4-5、ITU- TK20 /K21 及国标 GB9043 关于雷击浪涌抗扰度测试条文,结合现场实际情况,采取如下防护措施。
 
        1.利用雷电接闪器系统防止直击雷的侵害;
        2.采用多层次的电磁屏蔽降低或限制感应过电压的产生;
        3.采用 1:1 电感器电源隔离方式解决,其原理是:与普通变压器的原理是一样,利用电磁感应原理,利用变压器的隔离作用,组成双隔离变压器,即两组变压器连接,初级单相 AC220V,次级也是单相 AC220V,次级重新接地,使一次侧与二次侧的电气完全通道绝缘且回路隔离,利用其铁芯对高频损耗大的特点,从而抑制高频杂波传入控制回路;与此同时,对有些零线和地线之间电压要求比较高的设备,采用隔离变压器次级重新接地方法,减小设备零线对地电位。通过采用双隔离变压器措施,加强保护,提高供电电源纯净度和抗干扰用的能力,隔离电网的谐波干扰和不稳定电压,从而起到稳压、防雷、滤波作用。
 
四、结语
        电磁流量计防雷设计是一项综合的工程,在实际工程设计中,为了达到系统的防雷,要从仪表室、仪表信号和电源线等多方面考虑,综合采用接闪、屏蔽、等电位连接、接地、电涌保护等多种措施,另外需要电气、建筑等专业协同合作来实现,除了考虑系统安全性以外,还要考虑投资的成本、运行的经济性。