田 壯 ，李代明

（1. 中國電子工程設計院，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(Computer)、控制技術(Control)、通訊技術(Communication)、顯示技術(CRT)的發(fā)展和廣泛應用，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，工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，數(shù)字技術向智能化、開放性、網(wǎng)絡化、信息化方向不斷發(fā)展?？刂葡到y(tǒng)在自動化應用領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)中斷甚至爆炸等嚴重事故。

雷電是自然界巨大的電磁輻射源，當雷擊發(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備訊號或數(shù)據(jù)的傳輸與存儲，甚至導致數(shù)據(jù)丟失，可能引起電子設備產(chǎn)生誤動作或暫時癱瘓；反復多次的瞬態(tài)過電壓影響能減少電子設備使用壽命、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、滿負荷、優(yōu)質(zhì)運轉的重要保障。

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)過電壓侵入電子設備造成破壞。

2）靜電感應過電壓：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備可造成破壞。

3）電磁場感應過電壓：當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體將感應產(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、導線及電子設備的電氣回路的導電率遠遠高于土壤，此時高電位將沿接地極、導線及電子設備的電氣回路傳播，對回路中的敏感電子設備造成破壞。

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備。破壞效果與雷擊瞬態(tài)過電壓引起的破壞效應類似。

1.2 瞬態(tài)過電壓入侵電子設備可能引起的后果

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備物理性損壞，但是電子設備、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)和設備電子元器件加快老化，絕緣性能降低，使用壽命減少，使設備、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、雷電對電子電氣設備/系統(tǒng)的破壞形式、雷電能量的傳播途徑，結合被保護設備的性能參數(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措施，實行綜合防治、分區(qū)保護、層層設防，建立完整可靠的防雷安全網(wǎng)絡，隔離電磁干擾、分流瞬態(tài)過電壓，從而達到保障電子設備/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用的技術措施包括：

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施的直擊雷防護，是整個防雷系統(tǒng)的基礎和重要組成部分。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注意，接閃器的設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構鋼筋網(wǎng)加女兒墻避雷帶相結合作為接閃器，如果屋面上有天線等突出物需要防直擊雷保護，其避雷針的架設高度以能保護到天線即可。

2）屏蔽

屏蔽是電子設備防電磁干擾的基本措施，通常包括建筑物主體鋼筋構成的法拉第籠屏蔽、重要機房屏蔽、線路屏蔽、設備屏蔽等。需要注意的是，在進行線路屏蔽時，應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)場設備的屏蔽、傳輸線纜的屏蔽和控制中心設備的屏蔽至關重要，一方面可以防止線間串擾、隔離外來干擾信號，使系統(tǒng)正常運轉；另一方面可以大大減少電磁感應耦合引入的瞬態(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）

在需保護的電子設備的電源輸入端口，各種信號線、天饋線進出設備端口，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)過電壓限制到設備絕緣安全水平以下，從而保障線路上電子設備的防過電壓安全。

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工頻電流，只要工頻接地阻抗達到要求即可，對地網(wǎng)結構沒有其他要求。需要注意的是應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，應呈放射狀連接，避免構成閉合環(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、電子設備數(shù)量多密度大的情況下，要為幾種不同接地分別設置獨立接地網(wǎng)（獨立地網(wǎng)間的距離不應小于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)結構復雜、設備數(shù)量眾多的情況下，聯(lián)合接地在工程技術上更可行。

（3）更容易獲得低的接地電阻。

（4）通過適當?shù)募夹g措施，可同時滿足不同設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)設計不同的地網(wǎng)布局結構，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備分布位置，減小線路、設備所圍成的環(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措施，根據(jù)現(xiàn)場實際情況設計科學合理的防雷技術方案；

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

3）嚴格按照防雷工程施工工藝要求施工。

4 結束語

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)設備的瞬態(tài)過電壓的來源、傳播途徑和危害，總結了工業(yè)自動化過程控制系統(tǒng)綜合防雷保護的基本原理、技術和方法。

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

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

[3]虞昊,等.《現(xiàn)代防雷技術基礎》.

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)過電壓導致自動化系統(tǒng)設備損壞，造成設備停機、生產(chǎn)中斷，甚至引發(fā)嚴重安全事故的案例也不斷增加。認識瞬態(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，學士，主要從事電氣控制系統(tǒng)工程設計工作。

TP391

A

1009-0134(2010)06-0181-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.59

2009-09-24