分散型控制系統的防雷分析

1. 問(wèn)題的提出

　　凡是基于微電子器件的控制設備，都存在著(zhù)耐壓低、對電磁脈沖特別敏感的短處。雷電引起的各種過(guò)電壓可達數百乃至數千、數萬(wàn)伏，而基于微電子器件系統的耐壓值都很低，一般承受不了正負5V的電壓波動(dòng)。美國通用研究公司R·D·希爾用仿真試驗建立的模型表明：對無(wú)屏蔽的計算機，當雷電電磁脈沖的磁場(chǎng)強度超過(guò)0.03×10-4T時(shí)，計算機會(huì )誤動(dòng)作;當超過(guò)2.4×10-4T時(shí)，計算機會(huì )永久性損壞。所以，如無(wú)一定的防護措施，即便是質(zhì)量很高的信息控制系統，也很難保證在雷擊情況下仍然可以安全地運行。

　　我們從調研中得知，進(jìn)口的控制系統(如應用在某化學(xué)公司的美國GE系統和SMART現場(chǎng)總線(xiàn)等)都曾遭受過(guò)雷電的侵害。又根據資料報道，在中國氣象部門(mén)，像國家氣象中心的大型計算機網(wǎng)絡(luò )、通信系統等要害部門(mén)也都曾多次遭遇雷擊。

　　2. 回顧防雷概念的轉變

　　建筑物的防雷是一門(mén)古老的技術(shù)，但是防雷技術(shù)在近二十年發(fā)生了很大的變化，其中重要的是在防雷概念上有如下幾點(diǎn)轉變：

　　1)防雷的重點(diǎn)從人身和電氣設備的安全轉變?yōu)橥ㄓ嵑托畔⑾到y的安全。過(guò)去建筑物的防雷技術(shù)以防直擊雷為主，側重防機械性破壞和雷電反擊;現在則以防感應雷擊為主，側重防雷電的電磁感應效應。

　　2)外部的防雷技術(shù)從以前的避雷針和避雷帶轉變?yōu)楝F在的避雷網(wǎng)和法拉第籠;內部的防雷技術(shù)從以前的以隔離方式為主轉變?yōu)楝F在的以等電位聯(lián)接方式為主。

　　3)以前檢驗接地系統是否合格以接地電阻值為準，現在側重于接地結構兼接地電阻值，特別是從獨立接地到等電位聯(lián)接方式的轉變。

　　如上所述，防雷技術(shù)和防雷概念雖然有了很大的變化，但直至現在，防雷的理論基礎仍然還是安全地引雷入地，閃電是一個(gè)電流源(更確切地說(shuō)是電流波)，而不是電壓源，防雷裝置是給雷電流提供一條或幾條低阻抗的接地通道，這些基本概念仍然沒(méi)變。

　　3雷電對分散型控制系統危害的形式

　　雷電對分散型控制系統的危害主要是通過(guò)直擊雷和雷電電磁脈沖干擾(也稱(chēng)雷電波)兩種形式。

　　直擊雷對分散型控制系統的危害指的是：

　　1)雷電直接擊中建筑物或地面上，雷電流沿引下線(xiàn)、接地體流動(dòng)過(guò)程中，在土壤中產(chǎn)生強大的感應電磁場(chǎng)，通過(guò)感應耦合到DCS等電子設備內，損壞DCS等電子設備;

　　2)控制室建筑物的防直擊雷裝置在接閃時(shí)，強大的瞬間雷電流通過(guò)引下線(xiàn)流入接地裝置，會(huì )使局部的地電位浮動(dòng)并產(chǎn)生跨步電壓，如果防雷的接地裝置是獨立的，它和控制系統的接地體沒(méi)有足夠的絕緣距離的話(huà)，則它們之間會(huì )產(chǎn)生放電，這種現象稱(chēng)為雷電反擊，它會(huì )對控制室內的DCS系統產(chǎn)生干擾乃至破壞。

　　雷電電磁脈沖干擾指的是由強大的雷閃電流產(chǎn)生的脈沖電磁場(chǎng)，它對DCS系統的干擾有如下兩種形式：

　　1)當控制室建筑物的防直擊雷裝置接閃時(shí)，在引下線(xiàn)內會(huì )通過(guò)強大的瞬間雷電流，如果在引下線(xiàn)周?chē)囊欢ň嚯x內設有連接DCS系統的電纜(包括電源、通信以及I/O電纜)，則引下線(xiàn)內的雷電流會(huì )對DCS的電纜產(chǎn)生電磁輻射，將雷電波引入DCS系統，干擾或損壞DCS系統;

　　2)當控制室周?chē)l(fā)生雷擊放電時(shí)，會(huì )在各種金屬管道、電纜線(xiàn)路上產(chǎn)生感應電壓。如果這些管道和線(xiàn)路引進(jìn)到控制室把過(guò)電壓傳到DCS系統上，就會(huì )對DCS系統產(chǎn)生干擾或損壞。

　　此外，當空中攜帶大量電荷的雷云從控制室上空經(jīng)過(guò)時(shí)，由于靜電感應使地面某一范圍帶上異種電荷，當直擊雷發(fā)生后，云層帶電迅速消失，而地面某些范圍由于散流電阻大，以至出現局部高電位，它會(huì )對周?chē)膶Ь€(xiàn)或金屬物產(chǎn)生影響，這種靜電感應電壓也會(huì )對DCS系統產(chǎn)生干擾或損壞。根據我們的調查，上述幾種的雷電干擾形式，最嚴重的干擾源是：

　　*直擊雷造成的地電位浮動(dòng)而導致的雷電反擊。

　　*引下線(xiàn)中雷電流的電磁輻射將雷電波通過(guò)附近的I/O電纜、通信電纜以及電源電纜帶入DCS系統。

4. 分散型控制系統及控制室防雷的主要措施

　　根據《建筑物防雷設計規范》(GB50057-94 2000年版)的規定，建筑物應根據其重要性、使用性、發(fā)生雷電事故的可能性和后果，按防雷要求分為第一類(lèi)防雷建筑物、第二類(lèi)防雷建筑物和第三類(lèi)防雷建筑物。第一類(lèi)要求最高，第二類(lèi)次之。DCS控制室如果和生產(chǎn)裝置在同一建筑物內，其防直擊雷設施應連同生產(chǎn)裝置的特點(diǎn)綜合確定和設計。如果DCS控制室是獨立的建筑物，應按該規范規定的第三類(lèi)防雷建筑物的標準設防?！⒖刂剖业膲臀菝鎯鹊匿摻?、金屬門(mén)窗等進(jìn)行等電位聯(lián)接，并與防直擊雷的接地裝置相聯(lián)接，使控制室形成一個(gè)法拉第籠，可以減少受電磁脈沖的影響。飛行器內的電子設備由于和飛行器的金屬外殼作了等電位聯(lián)接，因此免受雷電的影響就是這個(gè)緣故。然而控制室畢竟不同于飛行器，它有許多電纜和控制室的外部相聯(lián)，因此也要對從室外進(jìn)入控制室的各種電纜采取屏蔽措施，特別是在那些容易被雷電波侵入的地方。

　　這里有必要對電纜的屏蔽問(wèn)題作一強調和說(shuō)明。國家石油和化學(xué)工業(yè)局于2000年發(fā)布的《儀表系統接地設計規定》(HG/T 20513-2000)對屏蔽電纜的接地，原則上是規定一端接地，另一端懸空。但單端接地只能防靜電感應，不能防磁場(chǎng)強度變化所感應的電壓，無(wú)助于阻礙雷電波的侵入。為了減少屏蔽芯線(xiàn)的感應電壓，僅在屏蔽層一端做等電位聯(lián)接的情況下，應采用有絕緣隔開(kāi)的雙層屏蔽，外層屏蔽應至少在兩端作等電位聯(lián)接。在這種情況下外屏蔽層與其它同樣做了等電位聯(lián)接的導體構成了環(huán)路，感應出一電流，因此產(chǎn)生減低源磁場(chǎng)強度的磁通，從而基本上可抵消無(wú)外層屏蔽層時(shí)所感應的電壓。為此，可以利用金屬走線(xiàn)槽或穿金屬管作為第二屏蔽層并用兩端接地的方法來(lái)實(shí)現。從防雷的角度來(lái)看，走線(xiàn)槽應選擇金屬材質(zhì)，而不應選用環(huán)氧樹(shù)脂。