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淺談儀器儀表雷電防護的必要性。

內容簡介:儀器儀表系統的接地更應當注意系統的安全性和防止其它系統干擾。一般來說工作狀態下儀器儀表系統接地不能直接和防雷地線相連,否則將有雜散電流進入儀器儀表系統引起信號干擾。正確的連接方式應當在地下將兩個不同地網,通過放電器低壓避雷器連接,使其在雷擊狀態下自動連通。
      甘肅科技淺談儀器儀表雷電防護的必要性周開顏(蘭州石化分公司物采部電儀科,甘肅蘭州730060)靜電放電(ESD)和電快速瞬變脈沖群(EFT)X寸儀器儀表系統會產生不同程度的危害。靜電放電在5 ~20tMHz的頻率范圍內產生強烈的射頻輻射。
      此輻射能量的峰值經常出現在35~45MHz之間發生自激振蕩。許多信息傳輸電纜的諧振頻率也通常在這個頻率范圍內,結果電纜中便串入了大量的靜電放電輻射能量。電快速瞬變脈沖群也產生相當強的輻射發射,從而耦合到電纜和機殼線路。當電纜暴露在4~8kV靜電放電環境中時,信息傳輸電纜終端負載上可以測量到的感應電壓可達到600V這個電壓遠遠超出了典型數字儀器儀表的門限電壓值0 4V典型的感應脈沖持續時間大約為400ns儀器儀表在使用中經常會遇到意外的電壓瞬變和浪涌,從而導致電子設備的損壞,損壞的原因是儀器儀表中的半導體器件(包括二極管、晶體管、可控硅和集成電路等)皮燒毀或擊穿。據統計儀器儀表的故障有75%是由于瞬變和浪涌造成的。電壓的瞬變和浪涌無處不在,電網、雷擊、爆破,就連人在地毯上行走都會產生上萬伏的靜電感應電壓,這些,都是儀器儀表的隱形致命殺手。因此,為了提高儀器儀表的可靠性和人體自身的安全性,必須對電壓瞬變和浪涌采取防護措施。
      1、防雷端口根據儀器儀表應用的工程實踐,儀器儀表受雷擊可大致分為直擊雷、感應雷和傳導雷。但不論以哪一種形式到達設備都可歸納為從以下4個部位侵入的雷電浪涌,在此把這些部位稱為防雷端口,并以儀器儀表舉例說明。
      1.1外殼端口比如說,我們可以把任何一個大的或小的儀器儀表或系統視為一個整體的外殼,如傳感器、傳輸線、信號中繼、現場儀表、DCS系統等,它們都有可能完全暴露在環境中受到直接雷擊,造成設備損壞。
      標準規定,當設備外殼受到4kV的雷電靜電放電時,都會影響儀器儀表或系統的正常運行。例如放置于室外的傳感器端子箱有可能受到雷電接觸放電;位于機房內的DCS機柜有可能受到大樓立柱泄流時的空氣放電。
      1.2信號線端口含天饋線、數據線、控制線等。
      在控制系統中,為了實現信號或信息的傳遞總要有與外界連接的部位,如過程控制系統的信號交接端的總配線架、數據傳輸網的終端、微波設備到天線的饋線口等等,那么這些從外界接收信號或發射信號出去的接口都有可能受到雷電浪涌沖擊。因為從樓外信號端口進來的浪涌往往通過長電纜,所以采用10/7(0Fs波形,標準規定線到線間浪涌電壓為05kV,線到地間浪涌電壓為1kV.而樓內儀器儀表之間傳遞信號的端口受到浪涌沖擊相當于電源線上的浪涌沖擊,采用1.2/50(8/20)Ms組合波,線到線、線到地浪涌電壓限值不變。一旦超過限值,信號端口和端口后的設備有可能遭受損壞。

      1.3電源端口電源端口是分布最廣泛也最容易感應或傳導雷電浪的部位,從配電箱到電源插座這些電源端口可以處在任何位置。標準規定在L 2/50(8/20)Ms波形下線與線之間浪涌電壓限值為Q 5kV線到地浪涌電壓限制為1kV但這里的浪涌電壓是指明工作電壓為220V交流進入的,如果工作電壓較低則不能以此為標準,電源線上受較小的浪涌沖擊不一定立即損壞設備,但至少壽命有影響。

儀器儀表防雷的四個關鍵的端口——西安博匯儀器儀表有限公司
儀器儀表防雷的四個關鍵的端口

      1.4接地端口盡管在標準中沒有專門提到接地端口的指標,實際上信息技術設備地端口是非常重要的。在雷電發生時接地端口有可能受到地電位反擊、地電位升格地滿□高影響,或者由于接地不良、接地不當使地阻過大達不到電位要求使設備損壞。接地端口不僅對接地電阻接地線極(長度、直徑、材料)、接地方式、地網的設置等有要求,而且還與設備的電特性、工作頻段、工作環境等有直接的關系。同時從接地端還有可能反擊到直流電源端口損壞直流工作電壓的設備。綜上所述,信息技術設備的防雷可以考慮從四個關鍵的端口入手,如所示。
      電子儀器儀表防雷的四個關鍵的端口2儀器儀表的端口保護21外殼端口儀器儀表的外殼端口保護不僅僅是建筑物外殼,也應當包括某個設備的外殼或者某套系統的外殼,比如說機柜、計算機室等。按照EC 1312-1雷電電磁脈沖的防護第一部分(一般原則)的適用范圍為:建筑物內或建筑物頂部儀器儀表系統有效的雷電防護系統的設計、安裝、檢查、維護。其保護方法主要有三種:接地、屏蔽及等電位連接。
      21.1接地EC1024-1已經闡述了建筑物防雷接地的方法,主要通過建筑物地下網狀接地系統達到要求。儀器儀表系統防雷時還要求對相鄰兩建筑物之間通過的電力線,通信電纜均必須與建筑物接地系統連接起來(不能形成回路)以利用多條并行路徑減少電纜中的電流。
      儀器儀表系統的接地更應當注意系統的安全性和防止其它系統干擾。一般來說工作狀態下儀器儀表系統接地不能直接和防雷地線相連,否則將有雜散電流進入儀器儀表系統引起信號干擾。正確的連接方式應當在地下將兩個不同地網,通過放電器低壓避雷器連接,使其在雷擊狀態下自動連通。
      21.2屏蔽從理論上考慮,屏蔽對儀器儀表外殼防雷是非常有效的。但從經濟合理角度來看,還是應當從設備元器件抗擾度及對屏蔽效能的要求來選擇不同的屏蔽方法。線路屏蔽,即在儀器儀表系統中采用屏蔽電纜已被廣泛應用。但對于設備或系統的屏蔽需要視具體情況而定。EC提出了采用建筑物鋼筋連到金屬框架的措施舉例。
      表系統的主要電磁干擾源是由一次閃擊時的幾個雷擊的瞬時電流造成的瞬態磁場。如果包含儀器儀表系統的建筑物或房間,用大空間屏蔽,通常在這樣的措施下瞬時電場被減少到一個足夠低的值。
      21.3等電位接連等電位連接的目的是減小儀器儀表之間和儀器儀表與金屬部件之間的電位差。在防雷區的界面處的等電位連接要考慮建筑物內的儀器儀表系統,在那些對雷電電磁脈沖效應要求最小的地方,等電位連接帶最好采用金屬板,并多次與建筑物的鋼筋連接或連接在其它屏蔽物的構件上。對于儀器儀表系統的外露導電物應建立等位連接網,原則上一個電位連接網不需要直接連在大地,但實際上所有等電位連接網都有通大地的連接。
      22信號線端口信號線端口保護現在已經有許多類型的較為成熟的保護器件,比如儀器儀表信號網絡不同接口保護器、天饋線保護器、終端設備的保安單元等。在保護器選擇時除了保護器本身的性能外,應該注意保護設備的傳輸速率、插入衰耗限值、駐波比、工作電壓、工作電流等相關指標,如果在同一系統(或網絡)使用多級保護還應該考慮相互配合問題。值得提出的是,當前由于商業因素,在同一網絡中有過多使用保護器的傾向,其反而帶來降低速率、增大衰耗、傳輸失真、信息丟失等問題。因此對某一網絡的信號端口保護應在網絡信號進出的交界面處安裝合適的保護器即可。
      在信號端口竄入的瞬態電流最容易損壞信號交換或轉換單元及過程控制計算機,如主板、并行口、信號接口卡等。事實上瞬態電流或浪涌可能通過不同途徑被引入到信號傳輸網絡中,EEE 802-3以太網標準中列出了四種可能對網絡造成威脅的情況。
      (1)局域網絡元件和供電回路或受電影響的電路發生直接接觸。(2)局域網電纜和元件上的靜電效果。(3)高能量瞬態電流同局域網絡系統耦合曲網絡電纜附近的電纜引入)(4)彼此相連的網絡元件的地線電壓間有細小差別(例如兩幢不同建筑的安全地線電壓就有可能略有不同)。
      以數據通信線為例,在R-232的串、并行口的標準中,用于泄放高能浪涌和故障電流的地線同數據信號的返回路徑共享一條線路,而小至幾十伏的瞬態電壓都有可能通過這些串、并行口而毀壞計算機及打印機等設備,信號傳輸線也能直接將戶外電源線上的瞬態浪涌傳導進來,而信號接口能夠傳導由閃電和靜電泄漏引起的浪涌電壓。
      用戶應當對數據線保護器慎重選擇有些保護器雖然起到了“分流”作用,但常常是將硅雪崩二極管(SAD)接在被保護線路和保護器外殼之間,測試表明SAD的鉗位性能很好,但它電涌分流能力有限。同時壓敏電阻(MOV池不能在數據線保護器上使用。先進的過程控制系統的信號接口防雷保護裝置無論是R-232串等通信接口還是計算機同軸網絡適配器接口)目前均采用瞬態過電壓半導體放電管,其沖擊殘壓參數指標很重要。有條件能夠采取多級保護設計電路效果更佳。
      天饋線保護器基本采用波導分流原理,其中發射功率400W,額定測試放電電流(8/20s)5kA傳輸頻率<25GH插入損耗<08響應時間<100ns 23電源端口原則上采用多級SPD做電源保護,但信息系統的電源保護由于其敏感性必須采用較低的殘壓值的保護器件,且此殘壓應當低于需要保護設備的耐壓能力。同時還必須考慮到電磁干擾對儀器儀表系統的影響,因此帶過濾波的分流設計應當更加理想。
      所以對于儀器儀表系統電源保護特別注意的兩點是:前兩級采用通流容量大的保護器,在儀器儀表終端處則采用殘壓較低的保護器。最后一級的保護器中最好有濾波電路。對儀器儀表系統電源端口安裝SPD時應注意以下問題。
      多級SPD應當考慮能量配合、時間配合、距離配合。如果配合不當的話,效果將適得其反。
      (2旌接防雷保護器的引線應當盡量粗和短。
      (3)全保護時盡可能將所有連接線捆扎在一起。

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