淺議工業(yè)過程控制系統(tǒng)的防雷保護

田 壯 ，李代明

（1. 中國電子工程設(shè)計院，北京 100840；2. 中達電通股份有限公司，上海 201209）

淺議工業(yè)過程控制系統(tǒng)的防雷保護

田 壯1，李代明2

（1. 中國電子工程設(shè)計院，北京 100840；2. 中達電通股份有限公司，上海 201209）

0 引言

隨著計算機技術(shù)(Computer)、控制技術(shù)(Control)、通訊技術(shù)(Communication)、顯示技術(shù)(CRT)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，目前工業(yè)自動化過程控制普遍采用由工業(yè)計算機（IPC）或可編程控制器（PLC）組成的集數(shù)據(jù)采集、過程控制和信息傳輸于一體的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，數(shù)字技術(shù)向智能化、開放性、網(wǎng)絡(luò)化、信息化方向不斷發(fā)展?？刂葡到y(tǒng)在自動化應(yīng)用領(lǐng)域的重要性類似于人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，如果人的中樞神經(jīng)受到干擾，人就可能無法及時、正確地獲得信息并做出思考和決策。如果工廠的控制系統(tǒng)受到干擾，系統(tǒng)就可能出現(xiàn)故障，或者輸出錯誤的控制指令，結(jié)果輕則影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，重則造成生產(chǎn)中斷甚至爆炸等嚴(yán)重事故。

雷電是自然界巨大的電磁輻射源，當(dāng)雷擊發(fā)生時，在幾微秒到幾百微秒時間內(nèi)，要釋放上百甚至幾百千安的雷電流，瞬間釋放的巨大電流會在放電通道的周圍空間產(chǎn)生巨大的瞬變電磁場，處于瞬變電磁場中的金屬導(dǎo)體會感生瞬態(tài)過電壓，中低量級的瞬態(tài)過電壓可以干擾電子設(shè)備訊號或數(shù)據(jù)的傳輸與存儲，甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，可能引起電子設(shè)備產(chǎn)生誤動作或暫時癱瘓；反復(fù)多次的瞬態(tài)過電壓影響能減少電子設(shè)備使用壽命、降低系統(tǒng)工作的可靠性，甚至直接燒毀元器件及設(shè)備，造成生產(chǎn)中斷甚至安全事故。這一切都會給工廠的生產(chǎn)和經(jīng)營帶來較大損失，所以對工業(yè)自動化系統(tǒng)采取有效的防雷保護措施是非常必要的，是企業(yè)自動化生產(chǎn)實現(xiàn)安全、穩(wěn)定、長期、滿負(fù)荷、優(yōu)質(zhì)運轉(zhuǎn)的重要保障。

1 瞬態(tài)過電壓的來源、傳播途徑和危害

正確地認(rèn)識瞬態(tài)過電壓的來源、傳播途徑和危害是采取正確防護措施的前提。

1.1 瞬態(tài)過電壓入侵電子設(shè)備的方式及傳播途徑

1）直擊雷：閃電直接擊中架空電力電纜、通訊電纜、天線等，雷電流將沿線路傳播，產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓侵入電子設(shè)備造成破壞。

2）靜電感應(yīng)過電壓：帶電雷云在天空快速移動，與其相對的地面物體、金屬導(dǎo)線等在雷云電場的作用下會迅速聚集大量的異種電荷跟隨雷云移動，當(dāng)某一時刻雷云對大地某一點迅速放電后，雷云電場消失，此時聚集在導(dǎo)線上的大量電荷會沿線路快速傳播尋找入地點，此高電壓對線路上連接的電子設(shè)備可造成破壞。

3）電磁場感應(yīng)過電壓：當(dāng)雷云之間放電或雷云對地面物體放電時，會在放電通道周圍產(chǎn)生一個瞬變電磁場，處于瞬變電磁場中的金屬導(dǎo)體將感應(yīng)產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓，此過電壓沿線路傳播可對線路上連接的電子設(shè)備造成破壞。

4）高電位反擊：大量雷電流通過接閃器引下線入地時，在入地點處會形成一個局部的高電位區(qū)，該雷電流總是會選擇阻抗最小的路徑離開入地點。如果附近有與受雷擊建筑物有電氣連接的獨立接地建筑物時，接地極、導(dǎo)線及電子設(shè)備的電氣回路的導(dǎo)電率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土壤，此時高電位將沿接地極、導(dǎo)線及電子設(shè)備的電氣回路傳播，對回路中的敏感電子設(shè)備造成破壞。

5）電磁輻射：雷擊發(fā)生時，會在雷擊放電通道周圍產(chǎn)生一個瞬變電磁場，雷電能量以電磁場的形式在三維空間輻射傳播，可能對附近屏蔽不良的敏感設(shè)備造成干擾甚至破壞。

6）操作過電壓：供電系統(tǒng)中的電感性和電容性負(fù)載開啟或斷開、電源線路短路等狀況發(fā)生時，都能在電源線路上產(chǎn)生高壓脈沖，其脈沖過電壓可達線電壓的3～10倍，可能損壞線路中的敏感設(shè)備。破壞效果與雷擊瞬態(tài)過電壓引起的破壞效應(yīng)類似。

1.2 瞬態(tài)過電壓入侵電子設(shè)備可能引起的后果

1）造成干擾：較低量級的瞬態(tài)過電壓雖不會造成設(shè)備物理性損壞，但可能干擾數(shù)字或模擬電平，從而引起誤碼、設(shè)備誤動作、數(shù)據(jù)丟失、軟件或數(shù)據(jù)損壞、死機等諸多麻煩。

2）加快設(shè)備老化、衰變：中低量級的瞬態(tài)過電壓可能不致一次就造成設(shè)備物理性損壞，但是電子設(shè)備、電路系統(tǒng)長期受到中低強度的過電壓沖擊，將使得線路系統(tǒng)和設(shè)備電子元器件加快老化，絕緣性能降低，使用壽命減少，使設(shè)備、系統(tǒng)故障率上升，穩(wěn)定性、可靠性大大降低，產(chǎn)生許多不確定性。這種情況可能比直接損壞更糟糕。

3）造成設(shè)備、線纜損壞：過高的瞬態(tài)過電壓將會造成元器件、I/O板、集成電路等的損壞。瞬態(tài)過電壓引起的短路還可能造成低壓配電系統(tǒng)損壞，不僅帶來直接經(jīng)濟損失，還可能造成難以估量的間接損失。

2 瞬態(tài)過電壓的綜合防治措施

雷電是產(chǎn)生危險瞬態(tài)過電壓的主要原因，針對雷電的特點、雷電對電子電氣設(shè)備/系統(tǒng)的破壞形式、雷電能量的傳播途徑，結(jié)合被保護設(shè)備的性能參數(shù)和防雷安全要求，綜合運用接閃、分流、均壓、屏蔽、等電位連接、接地、箝位、合理布線等成熟技術(shù)措施，實行綜合防治、分區(qū)保護、層層設(shè)防，建立完整可靠的防雷安全網(wǎng)絡(luò)，隔離電磁干擾、分流瞬態(tài)過電壓，從而達到保障電子設(shè)備/系統(tǒng)防雷安全的目的。

在工廠自動化控制系統(tǒng)綜合防雷保護中具體要應(yīng)用的技術(shù)措施包括：

1）直擊雷防護

直擊雷防護包括建筑物直擊雷防護和室外天線等設(shè)施的直擊雷防護，是整個防雷系統(tǒng)的基礎(chǔ)和重要組成部分。通過接閃器、引下線、接地裝置為雷電提供一個低阻抗的有利泄放通道，避免其隨機選擇放電目標(biāo)造成不確定的損失，從而形成一個發(fā)生直擊雷概率極小的安全區(qū)域。

在考慮直擊雷防護時應(yīng)注意，接閃器的設(shè)置以能夠提供可靠的、足夠的直擊雷防護安全區(qū)，而盡可能不增加受直擊雷概率，同時能兼顧為建筑物內(nèi)部提供一定程度的電磁屏蔽為好。大面積的廠房、辦公樓防直擊雷最好以建筑物頂部結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)加女兒墻避雷帶相結(jié)合作為接閃器，如果屋面上有天線等突出物需要防直擊雷保護，其避雷針的架設(shè)高度以能保護到天線即可。

2）屏蔽

屏蔽是電子設(shè)備防電磁干擾的基本措施，通常包括建筑物主體鋼筋構(gòu)成的法拉第籠屏蔽、重要機房屏蔽、線路屏蔽、設(shè)備屏蔽等。需要注意的是，在進行線路屏蔽時，應(yīng)確保屏蔽層整體電氣連通，并至少在兩端及跨過不同防雷區(qū)界面時與地網(wǎng)或等電位接地排良好連接。

在考慮屏蔽措施時，須兼顧對磁場的屏蔽和對電磁場的屏蔽效果。

對工廠自動化控制系統(tǒng)而言，做好現(xiàn)場設(shè)備的屏蔽、傳輸線纜的屏蔽和控制中心設(shè)備的屏蔽至關(guān)重要，一方面可以防止線間串?dāng)_、隔離外來干擾信號，使系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)；另一方面可以大大減少電磁感應(yīng)耦合引入的瞬態(tài)過電壓，使系統(tǒng)更安全。

3）等電位連接

等電位連接是電氣安全防護、雷電電磁脈沖防護、操作過電壓防護的重要方法，是保障操作人員、電子設(shè)備電氣安全和防雷安全的基本措施。

等電位連接包括正常不帶電金屬物（如金屬線槽、電纜橋架、金屬門窗等）直接與地網(wǎng)或等電位接地排良好連接，正常帶電金屬物（如電源線、信號線、天饋線等）通過SPD與地網(wǎng)或等電位接地排作暫態(tài)等電位連接兩個方面。

4）箝位（線路瞬態(tài)過電壓防護）

在需保護的電子設(shè)備的電源輸入端口，各種信號線、天饋線進出設(shè)備端口，選擇安裝參數(shù)匹配、性能可靠的SPD，將線路可能引入的瞬態(tài)過電壓限制到設(shè)備絕緣安全水平以下，從而保障線路上電子設(shè)備的防過電壓安全。

5）防靜電

將控制機房等處的防靜電地板良好接地，防止靜電電荷積累、放電，可有效防止靜電引起的干擾和放電擊穿危害。

6）接地

通常，接地可分為防雷接地、交流工作接地、安全保護接地和信號工作接地等四類，這四類接地的目的和要求各不相同，相互間又有影響。

防雷接地的目的是為了將雷擊脈沖大電流盡快泄放到大地，盡量降低接地引下線上的電位升和接地點周圍的電位梯度，防止發(fā)生接觸電壓、跨步電壓傷害事故。雷電流是高頻脈沖電流，因此，防雷接地網(wǎng)需要的是較低的沖擊接地阻抗，而不是較低的工頻接地電阻。所以，防雷地網(wǎng)應(yīng)該是以水平接地極為主，呈網(wǎng)格狀的大面積地網(wǎng)，以增加地網(wǎng)與大地間的電容，利于快速釋放電荷。同時引下線應(yīng)盡量多根對稱分布，減少每根引下線的電流量，降低引下線對高頻脈沖電流的感抗。

交流工作接地和安全保護接地主要是疏導(dǎo)工頻電流，只要工頻接地阻抗達到要求即可，對地網(wǎng)結(jié)構(gòu)沒有其他要求。需要注意的是應(yīng)采取措施防止工頻電流可能對信號接地造成的工頻干擾問題。

信號工作接地的目的是為信號設(shè)備提供穩(wěn)定的參考電位，保證信號能被正確識別，使信號設(shè)備/系統(tǒng)能正常工作。信號頻率可能較高，但工作電流很小，大多為毫安級，所以只要接地電阻達到要求即可。信號接地同時還必須考慮防止引入干擾的問題。大量電子/電氣設(shè)備的使用使地下雜散電流很多，地下雜散電流通過信號接地系統(tǒng)對信號設(shè)備造成干擾，信號地網(wǎng)所包圍的面積越大，耦合引入的干擾信號就越多。因此，信號工作地網(wǎng)以單根長垂直接地極為最好，如果用多根接地極的話，應(yīng)呈放射狀連接，避免構(gòu)成閉合環(huán)狀。

一座現(xiàn)代化的工廠里，往往同時存在多個電子系統(tǒng)，大量的電子設(shè)備分布在空間跨度很大的不同區(qū)域，通過信息傳輸線連接成系統(tǒng)，在工廠土地資源有限、地下管線密布、電子設(shè)備數(shù)量多密度大的情況下，要為幾種不同接地分別設(shè)置獨立接地網(wǎng)（獨立地網(wǎng)間的距離不應(yīng)小于20米）常常是不現(xiàn)實的，而且獨立地網(wǎng)帶來的地線電位差也是電子設(shè)備安全的隱患。因此，在大多數(shù)情況下采用聯(lián)合接地成為必然。

聯(lián)合接地的優(yōu)點主要是：

（1）消除了原分立接地裝置間可能產(chǎn)生的電位差，防止發(fā)生反擊，安全性更好。

（2）在建筑密度大、可利用土地有限、建筑智能化程度高、電子/電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備數(shù)量眾多的情況下，聯(lián)合接地在工程技術(shù)上更可行。

（3）更容易獲得低的接地電阻。

（4）通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，可同時滿足不同設(shè)備抗干擾方面的需求。

（5）節(jié)約投資，經(jīng)濟性更好。

筆者以為，當(dāng)前接地的問題不僅僅是如何降低接地電阻的問題，更重要的是如何協(xié)調(diào)處理好幾種接地之間的關(guān)系，既實現(xiàn)各種接地自己的目的，同時又不影響其他接地目的的實現(xiàn)。通過對聯(lián)合接地網(wǎng)不同功能區(qū)設(shè)計不同的地網(wǎng)布局結(jié)構(gòu)，既可以滿足各種接地的目的，又能最大限度減少對信號地線的干擾。

7）合理布線

選擇合理的布線路徑和設(shè)備分布位置，減小線路、設(shè)備所圍成的環(huán)路面積，可有效降低耦合進入線路的雷電能量，提高系統(tǒng)安全性。合理的布線可以防止不同線路間的相互干擾，防止二次污染。

3 工廠自動化系統(tǒng)防雷保護效果三要素

工廠自動化系統(tǒng)防雷保護的效果取決于三個要素，三者缺一不可：

1）合理運用綜合防雷技術(shù)措施，根據(jù)現(xiàn)場實際情況設(shè)計科學(xué)合理的防雷技術(shù)方案；

2）選擇技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠的防雷產(chǎn)品；

3）嚴(yán)格按照防雷工程施工工藝要求施工。

4 結(jié)束語

保障工業(yè)自動化系統(tǒng)的防雷安全是保障工廠安全生產(chǎn)的重要工作內(nèi)容，本文分析了危害工業(yè)自動化系統(tǒng)設(shè)備的瞬態(tài)過電壓的來源、傳播途徑和危害，總結(jié)了工業(yè)自動化過程控制系統(tǒng)綜合防雷保護的基本原理、技術(shù)和方法。

[1]GB50057－1994《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（2000年版）

[2]GB50343-2004 《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》

[3]虞昊,等.《現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ)》.

Super fi cially discourse the protection of lightning for industrial process control system

TIAN Zhuang1, LI Dai-ming2

工業(yè)自動化過程控制系統(tǒng)在制造業(yè)的運用日益普及，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。與此同時，雷電等引起的瞬態(tài)過電壓導(dǎo)致自動化系統(tǒng)設(shè)備損壞，造成設(shè)備停機、生產(chǎn)中斷，甚至引發(fā)嚴(yán)重安全事故的案例也不斷增加。認(rèn)識瞬態(tài)過電壓的來源、傳播途徑和危害，了解綜合防雷技術(shù)并正確運用，是保障工業(yè)自動化系統(tǒng)防雷安全、保障工廠安全生產(chǎn)的重要工作內(nèi)容。本文就工業(yè)自動化過程控制系統(tǒng)的防雷保護基本原理和方法做粗淺探討。

工業(yè)自動化過程控制系統(tǒng)；瞬態(tài)過電壓；綜合防雷；聯(lián)合接地

田壯（1973－），男，北京人，工程師，學(xué)士，主要從事電氣控制系統(tǒng)工程設(shè)計工作。

TP391

A

1009-0134(2010)06-0181-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.59

2009-09-24