技术总结-石油化工仪表系统SPD.doc

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石油化工系统电涌保护器

技术总结报告

一、项目基本情况

石油化工仪表系统电涌保护器系列产品的研发项目始于2007年8月，经过一年半的时间，完成了产品从研究、开发、生产以及投入到现场实际使用的过程，截止到目前已经完成项目的策划、设计、生产、销售的全部阶段，将进入扩大化生产销售阶段。

整个项目的研发主要在公司技术部技术人员承接完成，项目涉及的材料、半成品、成品试验由技术部试验室完成。

2007年9月，技术部召开策划阶段的项目评审会议，会议通过了电路及外观结构的设计预案并成立了正式的项目研发小组。

石油化工仪表系统电涌保护器系列产品中的防爆型电涌保护器，是从2007年下半年开始，经过公司技术部以及市场部的调查发现，国内目前在设计石油化工仪表系统时，基本上没有考虑防雷问题，国内一些石油化工厂常常因为遭受雷击，使控制系统瘫痪，造成装置停车，经济损失巨大。

于是，必须采取了一些补救的防雷措施，主要是采取分流法，就是在仪表系统的信号或通讯回路以及系统的供电电源部分采用浪涌保护器SPD，用以限制瞬态过电压和分走浪涌电流。

但由于在室外的SPD必须具备与仪器仪表具有相同防爆等级的功能，在一个信号传输回路中实现两级（外部、内部）设备的雷电防护，才可以在真正意义上实现仪表系统的整体防雷。

项目开展初期，我们收集调查了国内外同行同类产品的大量信息，做了市场调查、分析比较及策划立项工作。

另一款石油化工仪表系统电涌保护器系列的产品——模块（热插拔）产品经过设计方案的筛选确定，模具协作商的开发、样品试装及反复的试验、结构修改，于2008年4月完成了通过各项实验的标准样品，随后开始进行市场推广。

制定项目技术文件，设计流水线，2008年6月,实施了第一次小批量试产。

到目前为止生产运行正常。

目前模块（热插拔）产品已通过北京雷电防护装置测试中心的各项实验，并于2009年1月20日取得检测报告。

项目的研发经费由公司财务部负责统一管理，由技术部经理负责使用经费的预算策划，项目负责人制定具体实施方案，主管副总负责审核，物流部负责试验材料、设备的询价选择和采购工作，对材料和设备的经费负责。

二、项目实施的工作内容和技术路线

（一）、项目实施的工作内容

1、策划阶段工作内容：

1）、石油化工仪表系统防雷保护现状调查

由于国内目前在设计石油化工仪表系统时基本上没有考虑防雷问题，但国外在这方面已经有了近20年的研究和使用经验。

国内一些石油化工厂常常因为遭受雷击，使控制系统瘫痪，造成装置停车，经济损失巨大。

于是，采取了一些补救的防雷措施，主要是采取分流法，就是在仪表系统的信号或通讯回路以及系统的供电电源部分采用浪涌保护器SPD（SurgeProtectiveDevice），见图1。

油库

仪表中央控制机房

爆炸性气体区域

信号传输线路通道

液位仪表

SPD

SPD

图1石油化工仪表SPD安装示意图

一般情况下，设备的雷电防护以限制瞬态过电压和分走浪涌电流两种方式来确保仪表设备的雷电防护效果。

因为雷电感应一般都沿线路传输，雷电防护必须在线路通道两端有效的抑制雷电流造成的过电压，过电流对仪器仪表造成的损害。

由于现市面上大部分浪涌保护器不具备防暴功能，即在爆炸性气体区域使用的条件，国内某些石油化工厂也只能在一些相对重要的场合部分地使用SPD，保护也只局限于控制室DCS、PLC等，没有真正实现仪表系统的整体防雷。

2）、项目策划方案

2007年9月，有技术部向公司领导提交《石油化工系统产品策划说明书》，组织由总工（王东生总经理）参与的小组讨论会，对策划方案进行评审。

产品策划说明书从技术说明、基本电气原理图、外形图、技术参数、技术关键及创新点、应用前景等几个方面阐述了防爆型电涌保护器项目研发的可行性、重要性以及必要性。

经过评议，决定通过防爆型电涌保护器项目立项的决定。

并规定了：

以张毅为主要设计人员的研发小组；编制《组织与技术接口》的备忘录，初步规定了相关部门、相关小组成员的工作职责内容；编制了《设计开发计划进程表》，初步计划了研发各阶段起始时间等工作内容。

2、设计阶段工作内容：

防爆型产品设计阶段主要包括电路设计、外壳设计、元件选购、材料加工、样品试制及试验。

设计初期，建议防爆型产品的防爆外壳委托专业防爆外壳厂家设计研发，当时委托广州市恒涌防爆电气仪表灯具有限公司设计，经过沟通后，发现委外加工外壳的成本很高，一个外壳收费在100元以上。

且委外设计的技术方案不能为我公司独有，有技术流失的可能。

鉴于此，公司决定从现有的技术力量入手，边培养现有人员边设计开发产品。

2007年10月，防爆型电涌保护器项目设计的关键——外壳设计完成，并在南宁本地选厂加工，加工成本比原来节省了一半。

2007年11月，样品制作完成，检测数据符合《计划任务书》中的要求。

模块（热插拔）产品在《组织与技术接口》中已将项目组分成两个小组，外观结构组和电子组，并指定一名项目负责人负责组织协调参与开发过程中的各种协作关系及时间的跟进。

设计阶段结构组需利用3D软件完成产品外形及内部结构的设计、模拟装配、开发筛选合格的模具加工厂商、选定产品使用的材料、跟踪结构零件加工、样品试制、对样品试制中出现的装配结构问题进行分析处理等工作。

电子组完成产品电气结构及电气元件连接设计、样品试制、电子元器件、半成品、成品试验方案以及相关试验数据的归纳分析等工作内容。

设计阶段工作的目的：

以最少的开发成本，完成项目开发的预期目标。

3、验证阶段工作内容：

项目验证阶段主要包括产品检测和小批量试产。

且系列产品的电涌防护试验、环境试验、安全可靠性试验等结果符合指标要求。

此项目在小批量试产前还有一个重要环节，即由项目负责人迁头，组织质量检验负责人、生产部经理及小组长、工艺人员、主要设计人员成立了小组进行了试生产装配，目的在于对新产品生产装配及质量检验知识的培训和收集各部门的不同意见。

经整理分析，针对可行的有建设性的建议，设计人员进行再修改，力求精益求精。

2008年6月,热拔插信号避雷器项目实施了第一次小批量试产。

项目负责人及主要设计人员全程跟踪指导，即时处理突发问题，生产及质检部门高度配合，使得此项目的小批量试产工作顺利完成。

防爆型电涌保护器产品在进行防爆认证的实验过程中，接受上海国家级仪器仪表防爆安全监督检验站意见，将工作工作温度从－25℃～＋70℃，改为工作温度：

－25℃～＋50℃。

4、确认阶段工作内容：

项目验证阶段主要包括产品现场安装和改进。

防爆型电涌保护器项目产品于在广西东油沥青公司安装，目前使用情况良好。

热拔插信号避雷器项目产品已在西南航空昆明机场安装，目前使用情况良好。

（二）、项目实施的技术路线

研发项目自研发初期，技术部根据公司自身实际情况，为实现自主创新，集合政府、企业、客户的资源，由技术部制定了一个统一的技术路线图指导各方力量，加快研发的速度。

技术路线图作为项目开发的依据和整体框架，明确技术研发重点、发展方向和未来市场，凝练企业核心能力，制定达到目标所需的步骤。

技术路线图，见图2。

制定技术路线，编写立项申请

石油化工仪表SPD技术水平和问题分析

石油化工仪表

现场勘查

防爆SPD现状调查及技术评价

样品制作、试验测试以及运行参数结果研究

国内外防爆SPD技术调查及适宜性评价

电子设备防爆

产品技术

国内外技术资料收集和调查

防爆SPD产品

工艺流程研究

防爆电路及整体结构技术路线研究

工程安装使用方案研究

防爆SPD外壳

设计及整体结构设计

防爆SPD电路

设计及PCB设计

原材料及生产厂家选定

编写策划阶段的产品说明书

评审防爆SPD输入资料清单

防爆型SPD设计方案研究

小批量生产以及产品安装运行工程

技术总结，根据用户反馈改进产品结构

图2项目技术线路图

三、主要技术设计内容

（一）热拔插信号避雷器产品的适应范围及特点：

产品主要适用于防护沿各种信号线路侵入的雷电过电压，保护设备使其免遭损坏。

信号模块能限制瞬态过电压幅值，吸收、消耗或泄放浪涌电流能量，采用35mm标准导轨安装,可直接装入机柜。

DKa-nDCp（金属外壳防爆）产品主要用于石油化工系统室外变送器、流量计、液位计、报警器等设备的防雷，能有效防护沿信号线路侵入的雷电过电压，保护设备使其免遭损坏。

（二）主要技术方案：

1、防爆型电涌保护器产品

防爆电涌保护器产品由内部电路和金属全封闭壳体组成。

电涌保护器由泄流电路、限流电路和钳位电路组成。

信号输入端接泄流电路，为气体放电管组成，然后是由自复保险丝与电感并联构成的限流电路，末级钳位电路接信号输出端，为大功率瞬态稳压管。

上述所说的各级电路装配在同一全封闭外壳中。

金属全封闭壳体由主件和连接件组成，主件用于电路板的支撑和封闭保护；连接件将本实用新型安装在被保护设备的信号通路部位。

连接件可根据不同设备的安装尺寸选择不同规格的螺纹。

1、产品基本电气原理，见图3：

图3信号ＳＰＤ电路原理图

雷电从信号输入端进入后，从气体放电管GDT1泄放入地，PTC在发生过电流时，会迅速发热，电阻值急速上升，并阻断过电流的发生，过电流消失后，阻值恢复正常，残余的雷电能量还可以通过玻璃放电管GDT2泄放，末端为大功率瞬达稳压管，它可以将残压和线电压都限制在规定的范围内，各种干扰源也在该电路的作用下，得到有效的拟制。

考虑到装上SPD后应不影响设备检测液位、压力、流量、启停状态等不同类型的信号的传输，例如4～20mA信号、脉冲量频率信号、报警信号和热电偶信号等，所以在PTC两端并联一个电感，这样即不影响信号传输有能起到防雷效果。

2、产品外形图

防爆电涌保护器产品采用防爆金属外壳，外壳主要由两部分组成：

主件用于电路板的安装；连接件用于安装时主件与被保护之间的连接，连接件可根据设备不同尺寸的螺纹选择不同的连接件。

见图4：

主件连接件

图4产品效果图

3、产品工艺总装图

防爆电涌保护器产品内部制造工艺采用灌封环氧树脂，见图5：

图5产品总装图

1——连接件；2——主件外壳；3——接外壳铜螺杆；4——电路板；

5——信号线；6——环氧树脂。

4、技术创新点

防爆电涌保护器产品主要方式是自行研制方式，技术关键在于信号SPD在满足能泄放雷电流，阻止雷电进入设备的同时，又要保证不同类型信号的传输不受影响。

其次是产品材料选用和制造工艺，石油化工都是高危险场所，要求产品防爆等级需达到Ⅱ类常用隔爆型，材料选用耐腐蚀与抗冲击力良好的不锈钢材质，良好的构造工艺能有效防止产品自身成为爆源，同时能更有效阻止外部火焰穿透壳体间隙并降低火焰温度。

创新点：

安装方便和采用防爆金属外壳。

下图为现场仪表设备，图中箭头所示就是该产品的安装位置。

图6防爆SPD在现场仪表设备处安装的示意图

2、模块（热插拔）电涌保护器产品

电路原理设计：

为实现三级保护，并解决因避雷器末级短路而使线地、线线间短路的问题：

在电气原理上借鉴了本公司原来的DK-nDCpSPD产品，并在此基础上进行设计，电路原理见下图：

图7热拔插信号SPD项目电路原理图

避雷器一共设3级，雷电从信号输入端进入1

（2）点后，从第一级放电管（GDT1）泄放入地，在阻抗R1（R2）限流下，放电管（GDT1）两端将出现高电压，迫使放电管再次动作泄放残余的雷电能量。

同时在第二级TVS1（TVS2）大功率瞬态抑制稳压管的作