防雷器的正确安装与布线

n         川东北气矿  张毅华  王普  黄湛  孙元伍

n         成都标定科技有限责任公司

现代综合防雷技术在天然气生产中的运用越来越重要并得到重视，但在重视的过程中，往往比较重视防雷方案设计的综合性和完整性，以及防雷产品的质量和安全，却往往忽视作为综合防雷工程最后也是极其重要的一个环节，即防雷工程施工质量的重要性。本文根据川东北气矿所辖自动化采气井站防雷大修施工过程中所遇到的问题以及对一些案例的分析，重点论述防雷器产品安装、综合布线等。 

1．前言

    随着科技的发展，气矿行业的天然气自动化采气井站采用了大量高精密度的检测设备和控制设备，组成了一个自动化程度较高的RTU系统和SCADA系统，其抗雷电干扰能力相当脆弱。再加上天然气自动化采气站处于高暴露环境，所处雷电区域为LPZ0B区和LPZ1区之间。据调查，虽然川东北气矿各个自动化采气井站都安装了防雷产品，但是在一段时间的运行中，仍然发生了雷击事故。通过对防雷产品和设计方案的审核，发现并不存在什么问题。这就让我们发生了疑问，会不会是因为防雷设施的安装原因造成防雷效果的弱化？而最终的现场勘察和调研表明，正是由于防雷设施的安装不规范造成的。本文针对防雷产品安装的具体方法进行一定的分析。

2．防雷器的安装对防雷性能的影响

对于任何一款防雷器来说，“允许通过电压”（又叫“残压”，在此统一为“允许通过电压”）是一项最基本的性能指标。由于防雷器的连接线具有一定阻抗和感抗，瞬态过电压会在连接线上产生一个电压降。这个电压降将会使其允许通过电压增高。

现分析一简单的跨接了一个并联安装方式的电源防雷器的电路（如下图1）。防雷器本身有一个允许通过电压Vp，另外在防雷器和两条线路之间还有一个附加电压V_L。我们可以假设V_L是平均分布在两条连接线上（尽管实际上并联连接的防护装置一般都不止有两条连接线，但是V_L肯定是平均分布在连接线上的），因此，对设备起作用的电压是Vp加V_L。连接线的长度和布线方式将直接影响V_L值，所以，通过正确的安装以使V_L保持在尽可能低的数值是十分重要的。

 图1  并联安装方式的防雷器

对于井站里的压力传感器、可燃气体检测仪、流量传感器等线路上都安装了信号防雷器，图2显示了串联式信号防雷器的防护安装。

图2   串联安装的信号防雷器

此类信号防雷器线对线之间、线对地之间的瞬态防护有所不同。线路A、B之间的瞬态冲击会产生允许通过电压Vp，见图3。这是没有涉及接地引接线的电压的情况。

图3   线路之间受到的瞬态冲击

但是，由于线路和地之间的瞬态冲击会在防护装置和地之间产生一个电压V_L，因此，在这种情形下，作用到设备上的电压将是防护装置的允许通过电压Vp加上连接线的电压V_L。见图4。所以，必须通过正确的安装以使V_L保持在尽可能低的数值是十分重要的。

图4   线、地之间受到的瞬态冲击

通过增大导线的规格来减少压降是一个颇有吸引力的想法，而实际上它并不能带来明显的改善。

可以通过一个例子来考虑。一个并联接至供电回路的电源防雷器，其两条引脚的长度为50cm，分流3000A（8/20μS）的电流，当引接线采用长度为1m但不同规格的电缆时，因电阻造成的压降情况可见下表1。

   表1  同一长度（1m）、不同规格的引接线（电缆）上的电阻性压降

 若这些电阻压降是作用在一个允许通过电压为600V的防护装置上的话，那么即使是使用1mm²的连接线也不至于会引起影响设备的超标电压。而且在实际运用中也不会使用这么小的电缆，这不符合国家的防雷规范。使用大截面积的电缆，以图通过增大导线规格来降低电阻压降是没有多大用处的，因为电阻性压降并不是一个主要问题。

真正的问题是电感引起的压降。表2显示了不同规格的导线的电感性压降情况（这是基于假设一个具有线性脉冲前沿的8/20μS波形来近似计算），它清楚的显示了电感性压降与电缆规格并非线性对应。若要减少一点压降，则电缆的截面积需要大大的增加（10倍）。

   表2    同一长度（1m）、不同规格的引接线（电缆）上的电感性压降

 许多教科书、规范都认为一般电缆的电感为1.2或1.0μH/m，表2也显示出该规律与实际运用的电缆规格是相符合的。

应该指出，特大规格的电缆（100mm²以上）对于降低压降确实可以得到一些改善，但由于大规格电缆在实际使用中敷设和端口处理上都比较困难，又会相应地增加一些电缆长度。因此，在大多数情况下这又抵消了所得到的任何改善。

所以，只要使用电缆规格适当，则由瞬态过电压产生的电压降主要是电感性的而不是电阻性的。其它一些较小的影响，例如集肤效应等也会发生，但在这些频率内都不是那么重要的。

虽然上述这些例子都是关于并联式防护装置的，但其基本原理同样也可用于串联式防护装置的接地引接线。

3．减少并联式电源防雷器电压降的具体方法

对一个230V~240V的电源防雷器施加一个6kV/3kA的测试冲击，来说明连接线的长度及其是否绑扎的影响。当在电源防雷器的引脚端测试时，防护装置的允许通过电压为600V；当引接线长度为25cm，并且进行了绑扎时，测试为630V；当引接线进行了绑扎，但长度大于建议长度且达到了2m时，测试为1200V；当引接线为建议长度但未进行绑扎时，测试电压上升为810V；当引接线未绑扎长度为2m时，测试电压为2300V。由此可见，引接线的长度以及是否绑扎对压降的影响很大。

（1）尽量缩短引接线的长度。

电感以及由此而产生的感应电压直接与电缆的长度相关，长度越短感应电压就越低，因此，引接线的长度尽可能的短。川东北气矿在电源防雷器安装时，规定电源防雷器的引接线在满足电缆截面积要求的情况下，其最大长度为25cm。若引接线的长度过大，将大大降低防护装置的防护性能，甚至可能造成防护装置的失效。

（2）引接线相互紧密绑扎

除了缩短电缆长度外，在电缆的整个长度范围内，应采用电缆扎带、胶布带或采用螺旋缠绕等方法，将它们相互尽可能紧密绑扎在一起，这样可以十分有效地消除感应。

电感会引起一个围绕导线的磁场，该磁场的大小由流经该导线的电流强度决定，而另一个相反方向电流的导线也将产生一个相反方向的磁场。见图5。

对于一个并联方式的电源防雷器，在其工作时，由于流入和流出的电流在两根引接线的方向相反，因此，其磁场方向也相反，若两根引接线紧密相贴，则其方向相反的磁场会相互抵消。所以将引接线相互紧密绑扎可以降低由此产生的压降。

图5   流入、流出防雷器引接线的电流产生的磁场

（3）引接线长度超过规定长度的施工方法

引接线的长度不可能总是保证小于规定长度，在这种情况下，采用导线绑扎双并联组的技术，可以允许电缆的最大长度达到50cm。

从前面的讨论中知道，导线长度小于25cm且绑扎良好可以有理想的压降。当长度增加一倍时，其压降也增加一倍。但是，若采用并联第二个单独绑扎的线束的方法，可以使压降回落至良好的水平。这是因为压降与磁场的强度有关，反过来磁场强度又与电流大小有关。而对于两束电缆，它们仅分别承担了总电流的一半。

实际运用的电源防护装置通常都安装在低压配电箱的里面或旁边，其接地连接线实际需要的长度大于25cm。这时可以采用双线并联的方法，具体作法是：

对于金属配电箱，可将一根导线与箱体的金属部分牢固连接，另一根则直接连接到地线排，再将地线与箱体的金属部分牢固连接。这样，瞬态电流会流经配电箱的金属箱体，由于它是板状而不是线状的，其良好的低电感固有特性将有助于保持较低的允许通过电压。若无法这样做的话，也可以将两根连接线都接至地线排，其中一根应绑扎在导线束内，另一根则单设。

4．减少串联式信号防雷器电压降的具体方法

（1）尽量缩短防护装置接地线长度

基于前面论述的理由，尽可能地缩短信号防雷器与地线之间的接线长度是绝对必要的。标准给出的数据线路上的瞬态过电压最不利条件为5kV/700µs及125A，这使得它对于缩短连接线长度的要求比电源部分稍微宽松些。尽管对于数据线路只要求尽可能地缩短连接线的长度，在施工过程中还是要求地线接头连接线的最大长度不大于1m。

（2）防护装置接地线头的长度大于1m时的解决办法

如果无法做到小于1m的地线连接距离的话，可通过采用分别并联2、3、4组地线连接线组的方法，来分别适应2、3、4m的长度的地线连接距离。

这种做法的依据是：因为电感及其引起的感应压降与导线周围的磁场有关，而该磁场又与流经该导线的电流有关。当增加了并联导线后，则电流及由此引起感应电压就会减少。根据该原理，则磁场必须是独立的，这就是为什么防护装置的地线接头引接线必须相互隔离的原因（两并联导线之间的最小距离大于5cm就可视做隔离）。同时还要注意一点，通过增加并联导线数目获得的性能改善，是随着数目增加而逐渐减少的，建议长度不应大于4m。

若连接线长度连小于4m的要求也不能满足时，应改变数据线路的路径。若无法这样做的话，可以将防护装置与被保护设备的局部电气地连接，以使设备得到保护。   

5．防止交叉耦合的综合布线

瞬态过电压是一种传导式干扰，它是沿着线路从源点流向侵害点。防雷器是在瞬态源和设备之间形成了一个位垒来提供防护的。因此，带有过电压的入端线路或地线电缆都不能布置得太靠近出端线路是十分重要的。否则，瞬态过电压在防护装置以后的线路上也会形成二次侵入。图6显示了一些正确或错误的例子。

图6   防雷器连接线的安装图

注：×——错误    √——正确

当防护装置为组合方式安装时，比如在端子柜里安装信号SPD，端子柜里需要进行保护的信号线路最少的有几十上百对线，最多的有几百对线，就必然采用组合方式安装。为了防护装置的交叉耦合，应将相邻排的方向转动调整，以保证出线端远离入线端。按照一般规定，入线端与出线端的距离应保持在15cm以上（如图7）。

图7  组合安装时入、出线走向示意图

6．结束语

    防雷工程是一个综合性的系统工程，每一环都起着至关重要的作用。在保证防雷产品选型、设计方案正确的同时，如果不能确保安装方法的正确和质量，就不可避免的会造成防雷工程实施过程中的某些不足和疏漏，从而不能发挥防雷设施应有的防护效果。

天然气自动化采气井站是一个高爆、高燃场所。在进行防雷工程施工时，如果操作不当，有可能造成站场内管道、设备爆裂、天然气大量泄露、站场着火和爆炸，给设备和人员安全带来巨大的隐患。同时，站场内所有的监控设备和检测设备都是高精密度的自动化产品，如果由于施工人员对此类产品的不熟悉或由于操作不正确，也将大大影响设备的精度，造成系统的紊乱，也将发生管道、设备爆裂，天然气大量泄露、站场着火和爆炸。

参考文献：

《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94）

《石油与石油设施雷电安全规范》

《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》（YD/T 5098-2001）

《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2004）

《电子系统防护手册》》（［英］W J Furse & Co Ltd 著） 

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