過壓保護(hù)在過程控制中的應(yīng)用

李金波

(黑龍江省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，哈爾濱150090)

近30年以來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，信息化設(shè)備得以廣泛地應(yīng)用，人們已經(jīng)越來越離不開電力、測(cè)量和控制、信息通訊等設(shè)備，人們對(duì)使用這些設(shè)備已經(jīng)習(xí)以為常，只有當(dāng)這些設(shè)備發(fā)生故障的時(shí)候，才會(huì)感到它們是多么重要。然而，隨著科技的進(jìn)步，設(shè)備集成度的提高，其耐沖擊能力卻顯著降低，導(dǎo)致因雷電產(chǎn)生的雷擊電磁脈沖對(duì)電子設(shè)備的損害呈逐年上升趨勢(shì)，同時(shí)電氣系統(tǒng)的開關(guān)操作和靜電放電(ESD)所產(chǎn)生的瞬態(tài)浪涌也對(duì)電子設(shè)備造成了極大的危害，尤其是在自動(dòng)化領(lǐng)域，測(cè)控設(shè)備的過壓保護(hù)更為重要，其中任何一個(gè)設(shè)備的損壞都有可能導(dǎo)致巨大的損失。

1 過壓產(chǎn)生的原因［1］

瞬態(tài)過壓主要來源于大氣放電產(chǎn)生的雷電放電、設(shè)備開關(guān)過程的浪涌電壓、靜電放電現(xiàn)象和線路故障。

1.1 雷擊放電

在雷擊點(diǎn)將會(huì)產(chǎn)生很大的電流，由此產(chǎn)生巨大的電壓降。就是對(duì)接地電阻非常小的建筑物和系統(tǒng)來說，產(chǎn)生的電壓降也是非常大的，這個(gè)電壓降可以通過直接傳導(dǎo)、電感和電容耦合的方式由電源、測(cè)量設(shè)備或數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)入電氣設(shè)備或電子設(shè)備內(nèi)部。

1.2 開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的浪涌電壓

因設(shè)備開關(guān)而產(chǎn)生過壓的次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雷擊產(chǎn)生的過壓次數(shù)，尤其是主回路的大電流開關(guān)動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生明顯的過壓。設(shè)備開關(guān)產(chǎn)生過壓的原因在于開關(guān)的結(jié)構(gòu)，斷開或接通電流開關(guān)觸點(diǎn)的動(dòng)作并不同交流電電流的回零點(diǎn)同步，在電流斷開的時(shí)候有一個(gè)非常快速的電流變化，從一個(gè)很大的值到一個(gè)零值(di/dt)。因?yàn)殡娐分杏凶杩沟拇嬖?，這將產(chǎn)生一個(gè)高頻和高壓尖峰的浪涌電壓，這個(gè)浪涌電壓將通過直接、電感、電容耦合的方式到達(dá)電氣元件，對(duì)這些元件造成損傷或徹底地破壞。當(dāng)電路接通時(shí)也會(huì)因?yàn)殡娏鞯目焖僮兓a(chǎn)生過壓。

1.3 靜電放電現(xiàn)象

眾所周知靜電放電現(xiàn)象是由摩擦積聚的電荷產(chǎn)生的。我們經(jīng)常會(huì)碰到這種現(xiàn)象，比如說當(dāng)你走過地毯時(shí)，經(jīng)常會(huì)有被電擊的感覺，這些積累的電荷可達(dá)到上萬伏。當(dāng)這些電荷向低電位釋放的時(shí)候，我們把它叫作靜電放電(ESD)。如果這些電荷沖擊到電氣元件時(shí)，通常會(huì)造成電氣元件的徹底損壞。

1.4 線路故障

在50/60 H主回路中經(jīng)常會(huì)發(fā)生線路故障，也許是電源設(shè)備的故障或機(jī)柜的錯(cuò)誤接線。而這些故障通常也會(huì)使線路中產(chǎn)生高電壓。

2 測(cè)控系統(tǒng)引入過壓的途徑

2.1 直接耦合

過壓通過共同的接地阻抗直接進(jìn)入線路中，如圖1所示。過壓的數(shù)值是由雷擊的電流和接地電阻的大小來決定的。過壓的頻率和波形曲線取決于線路的電感值和電流上升的速率，甚至一定距離外的雷擊也可通過電波的傳播導(dǎo)致過壓，這個(gè)過壓通過直接耦合來影響電氣系統(tǒng)的不同部分。

圖1 直接耦合Fig.1 Direct coupling

2.2 電感耦合

一個(gè)大電流的雷擊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，如圖2所示。在這個(gè)電磁場(chǎng)內(nèi)的導(dǎo)體(比如:接地線、電源線、數(shù)據(jù)線等)會(huì)通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)過壓，根據(jù)變壓器原理，通過電感耦合的電壓取決于高頻電流的變化率di/dt—當(dāng)原邊和副邊只有一根導(dǎo)線時(shí)(即電感非常低的時(shí)候)，也能感應(yīng)出很大的電壓。

圖2 電感耦合Fig.2 Inductive coupling

2.3 電容耦合

過壓的電容耦合也是可能的，如圖3所示。當(dāng)一根導(dǎo)線受到過壓時(shí)，會(huì)和相鄰的低電位導(dǎo)線產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)，電場(chǎng)內(nèi)的電子移動(dòng)最終導(dǎo)致高電位導(dǎo)線向低電位導(dǎo)線放電，使低電位導(dǎo)線同樣受到過壓的沖擊。

3 過程控制中過壓保護(hù)的原理［2］

過壓保護(hù)的基本原理是:在瞬態(tài)過壓存在的極短時(shí)間內(nèi)，在被保護(hù)區(qū)域內(nèi)的所有導(dǎo)電部件之間建立起一個(gè)等電位。在保護(hù)的區(qū)域內(nèi)，所有導(dǎo)電部件都可認(rèn)為具有接近相等或絕對(duì)相等的電位，因而不存在顯著的電位差。在測(cè)控系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的是數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，對(duì)于這兩類的信號(hào)是我們?cè)O(shè)計(jì)保護(hù)的重點(diǎn)。

圖3 電容耦合Fig.3 Capacitive coupling

3.1 數(shù)字信號(hào)

數(shù)字信號(hào)大多是兩線制的信號(hào)，會(huì)有一個(gè)基準(zhǔn)電位。這些通常來自于數(shù)字量的傳感器、執(zhí)行器和顯示儀表，比如限位開關(guān)、探針、光電柵、接觸器、電磁閥和告警燈。這些信號(hào)的參考點(diǎn)可以是接地點(diǎn)也可以不是，這取決于保護(hù)方式。數(shù)字信號(hào)通常會(huì)受到的是共模干擾。共模干擾是指導(dǎo)體和參考點(diǎn)(接地點(diǎn))之間產(chǎn)生的干擾電壓，主要由電容耦合的方式產(chǎn)生，如圖4所示。從電流的方向和路徑來看，共模電流是在兩根導(dǎo)線上以相同的方向流動(dòng)的，它們的返回路徑都是地線。

圖4 共模干擾Fig.4 Common code interference

3.2 模擬信號(hào)

模擬信號(hào)大多也會(huì)是兩線制的電壓或電流回路信號(hào)，不帶有公共參考點(diǎn)，就像4～20mA電流信號(hào)一樣。模擬信號(hào)通常受到的是差模干擾。差模干擾是指導(dǎo)體和導(dǎo)體之間產(chǎn)生的干擾電壓，這要由電感耦合和直接耦合方式產(chǎn)生，如圖5所示。從電流的方向和路徑來看，差模電流是在兩根導(dǎo)線上以相反的方向流動(dòng)。

圖5 差模干擾Fig.5 Differential-mode interference

4 過壓保護(hù)在測(cè)控系統(tǒng)中的工程實(shí)踐

某自來水廠，周邊空闊，建筑物少，水廠在設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)，多考慮建筑物和高壓配電系統(tǒng)的防雷保護(hù)，近幾年來水廠都普遍改用自動(dòng)化控制，增加了很多諸如PLC、在線儀表、閉路監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等一批微電子、智能化設(shè)備儀表，這些弱電設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度集成化，從而造成設(shè)備耐壓、耐過電流的水平下降，對(duì)過壓的承受能力明顯下降;另一方面由于信號(hào)來源路徑增多，系統(tǒng)較以前更容易過壓侵入。

為了防止過壓破壞高靈敏度電氣設(shè)備，在過壓到達(dá)敏感的電氣元件之前使用短路的方法將過壓對(duì)地釋放掉，因此我們?cè)诒卷?xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程實(shí)施過程中，要多方面考慮各種因素，做好防護(hù)。

4.1 信號(hào)系統(tǒng)的防護(hù)

(1)水廠電動(dòng)閥門上的限位開關(guān)通常用來檢測(cè)閥門開啟的位置，而且現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境都非常的惡劣。比如當(dāng)限位開關(guān)被激活時(shí)，馬達(dá)迅速反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生很大的干擾，因此我們使用的是 Weidmuller的 MCZ OVP SL 24Vdc0.5A過壓保護(hù)器，如圖6所示，可以保護(hù)兩個(gè)控制器輸入信號(hào)，每一路都通過氣體放電管、壓敏電阻和抑制二級(jí)管接地，提供過壓保護(hù)。

圖6 MCZ OVP SL 24Vdc0.5A過壓保護(hù)器Fig.6 MCZ OVP SL 24Vdc0.5A overvoltage protector

(2)水廠中還有很多液位需要測(cè)量，測(cè)量容器液位時(shí)，傳感器需要輸入24 V供電電源，輸出對(duì)應(yīng)于液位的4～20 mA信號(hào)到控制器。由于傳感器和控制器之間的距離非常的長(zhǎng)而且暴露在外面，這時(shí)要在傳感器前和控制器前加上過壓保護(hù)元件，我們使用的是Weidmuller的MCZ OVP CL 24 Vdc0.5 A 端子式過壓保護(hù)器［3］，如圖7 所示，當(dāng)卡裝到導(dǎo)軌的同時(shí)，MCZ端子式過壓保護(hù)器就和接地點(diǎn)聯(lián)結(jié)在一起了。

我們采購的所有過壓保護(hù)產(chǎn)品都有一個(gè)接地端子，聯(lián)結(jié)到等電位帶的接地線必須連到這一點(diǎn)。接地線的導(dǎo)線截面應(yīng)盡量大，而且到接地排的長(zhǎng)度要盡量的短，每1 cm地線長(zhǎng)度的增加都會(huì)使過壓保護(hù)器件的殘壓上升。

4.2 正確使用屏蔽電纜

不正確的接地或沒有使用效果良好的部件，都會(huì)降低保護(hù)的效果或根本無效。實(shí)踐證明，在任意一點(diǎn)將屏蔽層接地是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)橛袝r(shí)選定的接地點(diǎn)并不能消除高頻干擾產(chǎn)生的影響。

圖7 MCZ OVP CL 24 Vdc0.5 A過壓保護(hù)器Fig.7 MCZ OVP CL 24Vdc0.5A overvoltage protector

屏蔽層不能連接到設(shè)備工作地上，而應(yīng)連接到保護(hù)地上。如果外殼沒有接地，屏蔽層需要聯(lián)結(jié)到一個(gè)單獨(dú)的接地點(diǎn)。接地回路電阻越小，通過電感耦合產(chǎn)生的干擾電壓也越小。下面的簡(jiǎn)圖是屏蔽層一端和保護(hù)地之間常使用的聯(lián)結(jié)方法，如圖8所示，用來消除因電容耦合產(chǎn)生的干擾電壓。

圖8 屏蔽層一端接地Fig.8 Shielding layer grounded at one end

當(dāng)長(zhǎng)距離聯(lián)結(jié)屏蔽電纜時(shí)，比如當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器必須聯(lián)結(jié)到控制室中，兩個(gè)接地點(diǎn)的電位差不能被忽視。我們采用的方法是將現(xiàn)場(chǎng)側(cè)和控制室內(nèi)的接地點(diǎn)通過一根均壓線聯(lián)結(jié)起來，屏蔽層兩端接地，如圖9所示，用來消除因電感耦合產(chǎn)生的干擾電壓。

圖9 屏蔽層兩端接地Fig.9 Shielding layer grounded on both ends

4.3 電氣柜的內(nèi)部部件的分區(qū)

鋼制的電氣柜具有很好的磁場(chǎng)屏蔽特性。我們將過壓保護(hù)器件安裝在線纜的進(jìn)線側(cè)，即最靠近電纜進(jìn)入點(diǎn)的導(dǎo)軌上，這樣過壓在進(jìn)入機(jī)柜處就被釋放掉了，就可以防止外部的干擾電壓耦合入機(jī)柜。同時(shí)在機(jī)柜敷設(shè)的信號(hào)電纜聯(lián)到過壓保護(hù)器的距離要短，特別是數(shù)據(jù)電纜，然后再接到設(shè)備。也要將被保護(hù)和未被保護(hù)的線纜隔開，敏感的信號(hào)電纜在布線時(shí)要同干擾源分開。在這里接地線被定義為未保護(hù)線，在布線區(qū)域或線纜槽內(nèi)可以使用金屬隔板來獲得隔離的效果，如果信號(hào)線纜和電力線纜是平行敷設(shè)時(shí)，兩者之間的距離至少為500 mm，將屏蔽電纜直接接入設(shè)備，并將屏蔽層同設(shè)備相聯(lián)。

5 小結(jié)

過壓保護(hù)已成為電磁兼容研究的重要方面，同時(shí)也被列入了相應(yīng)的政策法規(guī)中。測(cè)控系統(tǒng)各種線路伸入到工廠的各種環(huán)境之中，采用任何一種單一的過壓保護(hù)方式都有難以保證其安全，必須采取綜合防護(hù)的措施，才能確保精密電子設(shè)備和信息網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

［1］喻劍輝，張?jiān)?高電壓技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［2］平紹勛.電力系統(tǒng)內(nèi)部過壓保護(hù)及實(shí)例分析［M］.北京:中國電力出版社，2006.