李金波

(黑龍江省科學(xué)院自動化研究所，哈爾濱150090)

近30年以來，隨著經(jīng)濟的快速發(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、測量和控制、信息通訊等設(shè)備，人們對使用這些設(shè)備已經(jīng)習(xí)以為常，只有當(dāng)這些設(shè)備發(fā)生故障的時候，才會感到它們是多么重要。然而，隨著科技的進步，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電子設(shè)備的損害呈逐年上升趨勢，同時電氣系統(tǒng)的開關(guān)操作和靜電放電(ESD)所產(chǎn)生的瞬態(tài)浪涌也對電子設(shè)備造成了極大的危害，尤其是在自動化領(lǐng)域，測控設(shè)備的過壓保護更為重要，其中任何一個設(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

在雷擊點將會產(chǎn)生很大的電流，由此產(chǎn)生巨大的電壓降。就是對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、測量設(shè)備或數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進入電氣設(shè)備或電子設(shè)備內(nèi)部。

1.2 開關(guān)動作產(chǎn)生的浪涌電壓

因設(shè)備開關(guān)而產(chǎn)生過壓的次數(shù)遠遠大于雷擊產(chǎn)生的過壓次數(shù)，尤其是主回路的大電流開關(guān)動作會產(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)觸點的動作并不同交流電電流的回零點同步，在電流斷開的時候有一個非?？焖俚碾娏髯兓瑥囊粋€很大的值到一個零值(di/dt)。因為電路中有阻抗的存在，這將產(chǎn)生一個高頻和高壓尖峰的浪涌電壓，這個浪涌電壓將通過直接、電感、電容耦合的方式到達電氣元件，對這些元件造成損傷或徹底地破壞。當(dāng)電路接通時也會因為電流的快速變化產(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)常會碰到這種現(xiàn)象，比如說當(dāng)你走過地毯時，經(jīng)常會有被電擊的感覺，這些積累的電荷可達到上萬伏。當(dāng)這些電荷向低電位釋放的時候，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，通常會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)常會發(fā)生線路故障，也許是電源設(shè)備的故障或機柜的錯誤接線。而這些故障通常也會使線路中產(chǎn)生高電壓。

2 測控系統(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

一個大電流的雷擊會產(chǎn)生一個強大的電磁場，如圖2所示。在這個電磁場內(nèi)的導(dǎo)體(比如:接地線、電源線、數(shù)據(jù)線等)會通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生一個過壓，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(即電感非常低的時候)，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，會和相鄰的低電位導(dǎo)線產(chǎn)生一個很強的電場，電場內(nèi)的電子移動最終導(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的原理［2］

過壓保護的基本原理是:在瞬態(tài)過壓存在的極短時間內(nèi)，在被保護區(qū)域內(nèi)的所有導(dǎo)電部件之間建立起一個等電位。在保護的區(qū)域內(nèi)，所有導(dǎo)電部件都可認為具有接近相等或絕對相等的電位，因而不存在顯著的電位差。在測控系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的是數(shù)字信號和模擬信號，對于這兩類的信號是我們設(shè)計保護的重點。

圖3 電容耦合Fig.3 Capacitive coupling

3.1 數(shù)字信號

數(shù)字信號大多是兩線制的信號，會有一個基準(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。這些信號的參考點可以是接地點也可以不是，這取決于保護方式。數(shù)字信號通常會受到的是共模干擾。共模干擾是指導(dǎo)體和參考點(接地點)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

模擬信號大多也會是兩線制的電壓或電流回路信號，不帶有公共參考點，就像4～20mA電流信號一樣。模擬信號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。

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

4 過壓保護在測控系統(tǒng)中的工程實踐

某自來水廠，周邊空闊，建筑物少，水廠在設(shè)計和建設(shè)時，多考慮建筑物和高壓配電系統(tǒng)的防雷保護，近幾年來水廠都普遍改用自動化控制，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，對過壓的承受能力明顯下降;另一方面由于信號來源路徑增多，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，在過壓到達敏感的電氣元件之前使用短路的方法將過壓對地釋放掉，因此我們在本項目系統(tǒng)設(shè)計和工程實施過程中，要多方面考慮各種因素，做好防護。

4.1 信號系統(tǒng)的防護

(1)水廠電動閥門上的限位開關(guān)通常用來檢測閥門開啟的位置，而且現(xiàn)場的環(huán)境都非常的惡劣。比如當(dāng)限位開關(guān)被激活時，馬達迅速反向轉(zhuǎn)動時會在電網(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過壓保護器，如圖6所示，可以保護兩個控制器輸入信號，每一路都通過氣體放電管、壓敏電阻和抑制二級管接地，提供過壓保護。

圖6 MCZ OVP SL 24Vdc0.5A過壓保護器Fig.6 MCZ OVP SL 24Vdc0.5A overvoltage protector

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

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

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，都會降低保護的效果或根本無效。實踐證明，在任意一點將屏蔽層接地是遠遠不夠的，因為有時選定的接地點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)連接到保護地上。如果外殼沒有接地，屏蔽層需要聯(lián)結(jié)到一個單獨的接地點。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。下面的簡圖是屏蔽層一端和保護地之間常使用的聯(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)長距離聯(lián)結(jié)屏蔽電纜時，比如當(dāng)現(xiàn)場的傳感器必須聯(lián)結(jié)到控制室中，兩個接地點的電位差不能被忽視。我們采用的方法是將現(xiàn)場側(cè)和控制室內(nèi)的接地點通過一根均壓線聯(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屏蔽特性。我們將過壓保護器件安裝在線纜的進線側(cè)，即最靠近電纜進入點的導(dǎo)軌上，這樣過壓在進入機柜處就被釋放掉了，就可以防止外部的干擾電壓耦合入機柜。同時在機柜敷設(shè)的信號電纜聯(lián)到過壓保護器的距離要短，特別是數(shù)據(jù)電纜，然后再接到設(shè)備。也要將被保護和未被保護的線纜隔開，敏感的信號電纜在布線時要同干擾源分開。在這里接地線被定義為未保護線，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，如果信號線纜和電力線纜是平行敷設(shè)時，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)

過壓保護已成為電磁兼容研究的重要方面，同時也被列入了相應(yīng)的政策法規(guī)中。測控系統(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方式都有難以保證其安全，必須采取綜合防護的措施，才能確保精密電子設(shè)備和信息網(wǎng)絡(luò)的正常運行。

［1］喻劍輝，張元芳.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)部過壓保護及實例分析［M］.北京:中國電力出版社，2006.