分散型控制系统的防雷分析

2019-07-09 11:06

1. 问题的提出

  凡是基于微电子器件的控制设备,都存在着耐压低、对电磁脉冲特别敏感的短处。雷电引起的各种过电压可达数百乃至数千、数万伏,而基于微电子器件系统的耐压值都很低,一般承受不了正负5V的电压波动。美国通用研究公司RD希尔用仿真试验建立的模型表明:对无屏蔽的计算机,当雷电电磁脉冲的磁场强度超过0.0310-4T时,计算机会误动作;当超过2.410-4T时,计算机会永久性损坏。所以,如无一定的防护措施,即便是质量很高的信息控制系统,也很难保证在雷击情况下仍然可以安全地运行。

  我们从调研中得知,进口的控制系统(如应用在某化学公司的美国GE系统和SMART现场总线等)都曾遭受过雷电的侵害。又根据资料报道,在中国气象部门,像国家气象中心的大型计算机网络、通信系统等要害部门也都曾多次遭遇雷击。

2. 回顾防雷概念的转变

  建筑物的防雷是一门古老的技术,但是防雷技术在近二十年发生了很大的变化,其中重要的是在防雷概念上有如下几点转变:

  1)防雷的重点从人身和电气设备的安全转变为通讯和信息系统的安全。过去建筑物的防雷技术以防直击雷为主,侧重防机械性破坏和雷电反击;现在则以防感应雷击为主,侧重防雷电的电磁感应效应。

  2)外部的防雷技术从以前的避雷针和避雷带转变为现在的避雷网和法拉第笼;内部的防雷技术从以前的以隔离方式为主转变为现在的以等电位联接方式为主。

  3)以前检验接地系统是否合格以接地电阻值为准,现在侧重于接地结构兼接地电阻值,特别是从独立接地到等电位联接方式的转变。

  如上所述,防雷技术和防雷概念虽然有了很大的变化,但直至现在,防雷的理论基础仍然还是安全地引雷入地,闪电是一个电流源(更确切地说是电流波),而不是电压源,防雷装置是给雷电流提供一条或几条低阻抗的接地通道,这些基本概念仍然没变。

3雷电对分散型控制系统危害的形式

  雷电对分散型控制系统的危害主要是通过直击雷和雷电电磁脉冲干扰(也称雷电波)两种形式。

  直击雷对分散型控制系统的危害指的是:

  1)雷电直接击中建筑物或地面上,雷电流沿引下线、接地体流动过程中,在土壤中产生强大的感应电磁场,通过感应耦合到DCS等电子设备内,损坏DCS等电子设备;

  2)控制室建筑物的防直击雷装置在接闪时,强大的瞬间雷电流通过引下线流入接地装置,会使局部的地电位浮动并产生跨步电压,如果防雷的接地装置是独立的,它和控制系统的接地体没有足够的绝缘距离的话,则它们之间会产生放电,这种现象称为雷电反击,它会对控制室内的DCS系统产生干扰乃至破坏。

  雷电电磁脉冲干扰指的是由强大的雷闪电流产生的脉冲电磁场,它对DCS系统的干扰有如下两种形式:

  1)当控制室建筑物的防直击雷装置接闪时,在引下线内会通过强大的瞬间雷电流,如果在引下线周围的一定距离内设有连接DCS系统的电缆(包括电源、通信以及I/O电缆),则引下线内的雷电流会对DCS的电缆产生电磁辐射,将雷电波引入DCS系统,干扰或损坏DCS系统;

  2)当控制室周围发生雷击放电时,会在各种金属管道、电缆线路上产生感应电压。如果这些管道和线路引进到控制室把过电压传到DCS系统上,就会对DCS系统产生干扰或损坏。

  此外,当空中携带大量电荷的雷云从控制室上空经过时,由于静电感应使地面某一范围带上异种电荷,当直击雷发生后,云层带电迅速消失,而地面某些范围由于散流电阻大,以至出现局部高电位,它会对周围的导线或金属物产生影响,这种静电感应电压也会对DCS系统产生干扰或损坏。根据我们的调查,上述几种的雷电干扰形式,最严重的干扰源是:

  直击雷造成的地电位浮动而导致的雷电反击。

  引下线中雷电流的电磁辐射将雷电波通过附近的I/O电缆、通信电缆以及电源电缆带入DCS系统。

4. 分散型控制系统及控制室防雷的主要措施

  根据《建筑物防雷设计规范》(GB50057-94 2000年版)的规定,建筑物应根据其重要性、使用性、发生雷电事故的可能性和后果,按防雷要求分为第一类防雷建筑物、第二类防雷建筑物和第三类防雷建筑物。第一类要求最高,第二类次之。DCS控制室如果和生产装置在同一建筑物内,其防直击雷设施应连同生产装置的特点综合确定和设计。如果DCS控制室是独立的建筑物,应按该规范规定的第三类防雷建筑物的标准设防。 将控制室的墙和屋面内的钢筋、金属门窗等进行等电位联接,并与防直击雷的接地装置相联接,使控制室形成一个法拉第笼,可以减少受电磁脉冲的影响。飞行器内的电子设备由于和飞行器的金属外壳作了等电位联接,因此免受雷电的影响就是这个缘故。然而控制室毕竟不同于飞行器,它有许多电缆和控制室的外部相联,因此也要对从室外进入控制室的各种电缆采取屏蔽措施,特别是在那些容易被雷电波侵入的地方。

  这里有必要对电缆的屏蔽问题作一强调和说明。国家石油和化学工业局于2000年发布的《仪表系统接地设计规定》(HG/T 20513-2000)对屏蔽电缆的接地,原则上是规定一端接地,另一端悬空。但单端接地只能防静电感应,不能防磁场强度变化所感应的电压,无助于阻碍雷电波的侵入。为了减少屏蔽芯线的感应电压,仅在屏蔽层一端做等电位联接的情况下,应采用有绝缘隔开的双层屏蔽,外层屏蔽应至少在两端作等电位联接。在这种情况下外屏蔽层与其它同样做了等电位联接的导体构成了环路,感应出一电流,因此产生减低源磁场强度的磁通,从而基本上可抵消无外层屏蔽层时所感应的电压。为此,可以利用金属走线槽或穿金属管作为第二屏蔽层并用两端接地的方法来实现。从防雷的角度来看,走线槽应选择金属材质,而不应选用环氧树脂。

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