仪表系统防雷保护技术

一、前言

随着现代电子技术的不断发展,大量精密电子设备不断得到使用和联网,安装在自动控制系统中的设备经受着直击雷、感应雷、雷电瞬间过电压、零电位漂移等浪涌和过电压的侵袭,经常会受到各种过电压、过电流的危害。由于一些电子设备工作电压仅几伏,传输信号的电流也很小,对外界的干扰极其敏感,而雷电的电压可高达数十万伏,瞬间电流可高达数十万安,因此具有极大的破坏性。避雷针能防止直接雷击,但不能阻止感应雷击过电压、零电位漂移过电压以及这些过电压在泄放电流时在其周围所产生的很强的感应电压,而这些过电压却是破坏大量电子设备的主要危险源。因此有效地防止雷电对仪表系统所产生的危害,是保证仪表系统安全、稳定运行的重要前提。

二、雷电干扰对仪表系统的危害

对于仪表系统来说,由于控制系统安装在有保护的建筑物内,现场仪表一般都安装在设备或管道上,而它们都是良导体,另一方面,装置区都采取了防雷措施,又加上仪表本身体积较小,因此,仪表系统直接“接闪”的可能性较小。然而连接现场仪表和控制室仪表的电缆,则有传导雷电感应电波的可能。这主要因为电缆敷设在装置各个区域,连接距离长,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,形成瞬间浪涌电压或电流。另外,由于电缆桥架的架空敷设,电缆汇线桥架单独引入雷电波的可能性也存在。

仪表系统遭受雷电干扰时,会使供电电压跌落、瞬变,传输的电信号产生误差、数据产生误码,影响传输的准确性和传输速率,甚至会使器件损坏。

三、仪表系统防雷保护措施

防雷技术的理论基础在于:闪电是电流源,防雷的基本途径就是要提供一条雷电流(包括雷电电磁脉冲辐射)对地泄放的合理的阻抗路径,而不能让其随机地选择放电通道,简言之就是要控制雷电能量的泄放与转换。防雷保护的三道防线:

①外部保护:将绝大部分雷电流直接引入大地泄散;

②内部保护:阻塞沿电源线或数据线、信号线侵入的雷电波危害设备;

③过电压保护:限制被保护设备上的雷电过电压幅值。

这三道防线相互配合,各尽其职,缺一不可。而仪表系统防雷的重点是内部防护,即感应雷的防护和设置电压保护器。

感应雷的防护是从整体和系统建立起三维的防护体系,在被保护设备构成的系统中可采取以下措施:

1、等电位连接

等电位连接是将正常不带电(或不传输信号)的、未接地或未良好接地的设备金属外壳、电缆的金属外皮、建筑物的金属构架、金属管线的桥架与接地系统进行电气连接,防止这些物件上感应雷电高电压或接地装置上雷电入地高电位的传递对设备内部绝缘、电缆芯线造成反击。

仪表系统应设等电位连接网络,电气和仪表设备的金属外壳、机柜、屏蔽线外层、防静电接地、安全保护地、工作接地及各种SPD接地端应以最短的距离就近与等电位连接网络直接连接。否则,会使仪表系统遭受到雷电电磁脉冲时在不同的接地极上产生瞬态电位升高,发生瞬态电位差和地电位反击现象,对仪表或系统造成损害。

2、接地

防御雷电电磁脉冲对接地的要求也很严格。仪表系统的低频信号工作接地应采用单点接地系统,在整个建筑物内的接地线应为树干式结线布置。各层或各段的低频信号工作接地均应直接接到单点接地板上,不得形成环路。单点接地系统不应与用作防雷引下线的柱子平行,以防强磁场干扰。由于利用建筑物结构钢筋进行屏蔽,因此必须采用综合共同接地方式,即将防雷接地、电源的工作接地、各种装置的外壳、金属管外皮的保护接地和高频电子设备的信号接地都统一接到建筑物内的接地母线板上,接地母线板由接地干线引至室外接地装置上。为避免杂散电流,单点接地系统必须采用绝缘线,其主接地板必须置于建筑物的最底层且直接与基础或室外接地装置连接。各层单点接地系统的区域接地板或终端接地板如需要与综合共用接地系统的装置接地板连接,应在它们之间加装残压峰值不大于直流300V的放电管或压敏电阻。

综合共用接地的电阻一般应在4Ω以下,对于特殊的电子设备,可在1Ω以下。确定接地电阻时,应考虑各种设备对接地电阻值的要求,在所要求的各种阻值下应取最低值。

3、屏蔽

仪表系统中使用了大量的半导体器件、集成电路以及传递信号的线缆,当有雷电电磁脉冲作用在这些物体上时,将在这些器件或与之相连接的设备上产生瞬态过电压,造成设备或装置误动作和损坏。因此,合理必要的屏蔽措施将有效的防范雷击灾害。

仪表系统的屏蔽防护措施主要包括控制室屏蔽,现场仪表屏蔽和信号线缆屏蔽。控制室应将等电位体与接地装置进行可靠电气连接,同时要做好门窗的屏蔽防护,不能留有死角。现场仪表应尽可能安装在机箱或机柜中,并将其外壳与接地装置进行等电位连接。信号线缆应使用双层屏蔽线并穿入金属管内或封闭式电缆桥架,然后将金属管或电缆桥架应与就近保护接地网有效连接。

4、合理布线

强电系统、弱电系统、信号系统对电磁干抗的敏感度各不相同,而且各类线缆在输送各信号中还会相互产生电磁干扰。因此,仪表系统中电源线缆、信号线缆以及本安线缆分开敷设,进入控制室的各种信号线缆都要穿金属管保护或封闭式电缆桥架,以实现可靠的屏蔽。另外,由于用作引下线的钢筋混凝土柱内的钢筋和整个建筑物的屏蔽网都在外墙处,雷电流需经此处的钢筋分流到接地装置上,所以外墙处的电流密度大、电磁场强。因此,控制室中的电源和信号线路不应靠近外墙,最好设置在建筑物的中心部位。控制系统电缆和防雷引下线的净距要符合GB5043-2000《建筑物电子信息系统防雷技术规范》要求。如表1所示:

表1 信号电缆和防雷引下线的净距

如果线缆敷设高度超过6000mm时,与防雷引下线的交叉距离应按下式计算:

S=0.05H

式中:H——交叉处防雷引下线距地面的高度(mm)

S——交叉净距(mm)

5、提高仪表系统的抗扰度

新型工业自动化仪表和系统包含许多电子线路,在化工、冶金、炼油和发电等较为恶劣的工业环境中应用,处于各种工业设备所产生的电磁骚扰影响之下。为保证敏感的电子线路能正常工作,必须考虑仪表和系统的电磁兼容性。仪表系统电源干扰类型主要有7种:跌落、失电、频率偏移、电气噪声、浪涌、谐波失真、瞬变,仪表信号干扰类型主要有共模干扰、串模干扰、浪涌等。其中,跌落、浪涌、瞬变干扰主要是由雷击生产的。

6、浪涌抑制

为电子信息设备供电的电路在雷击或接通、断开电感负载时常常会产生很高的瞬时过电压(或过电流),这种瞬时过电压(或过电流)称为浪涌电压(或浪涌电流),是一种瞬变干扰。电压的浪涌无处不在,电网、雷击、爆破,就连人在地毯上行走都会产生上万伏的静电感应电压。据统计,电子设备的故障有75%是由浪涌造成的。仪表系统抑制浪涌干扰的主要措施是应用浪涌保护器。

四、结束语

仪表系统防雷保护是一项系统工程,要从仪表系统设计制造、仪表工程设计与施工方面,全面地、整体地考虑、设计和实施多级防雷措施,从而实现仪表系统安全稳定运行。

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