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          弱電信號的雷電防護

          發布時間:2020-07-23 來源:原創文章

          引 言

          弱電信號主要包括以下幾個方面:

          (1)高速數據采集系統(DCS),主要用在石油化工、燃氣、自來水、氣象、電力、通信、部隊等行業的各種數據采集單元。

          (2)自動化控制系統(PLC),廣泛應用在石油、化工、燃氣、消防、重型機械等生產過程控制中。

          (3)智能化建筑,如計算機網絡系統,程控交換機、視頻監控、消防、門禁、一卡通、車管系統等。

          (4)精細保護系統,如石油、化工的本征安全,精密儀器的保護;各種精密傳感器,如稱重、壓力、角度、溫度、流量計等器件的保護。

          (5)工業控制總線的保護,如消防用的RS-485,CAN總線、profibus總線的保護。

          由于這些系統大量采用了COMS電路,工作電平在TTL,極易受到雷擊電磁脈沖的沖擊。輕則造成軟件故障、當機,停工停產。重則造成設備損壞、生產癱瘓。因此應引起各行各業的高度重視。

          1 雷電對弱電系統的損害

          1.1雷電的危害

          在地球表面每時每刻同時發生2000次左右的閃電,其中雷擊大地的閃電就多達30~100個,因此,雷暴災害被聯合國列為世界十大自然災害之一,一點不為過。

          我國每年的雷害損失達100億人民幣,特別是在化工、石油、燃氣、煙花、鞭炮、煤礦等高危爆炸行業,人員傷亡更為突出。

          1.1.1直擊雷的危害。

          理論上,直接雷的波形一般為10/350μs,能量非常大,一次雷擊能達到幾十庫侖的電量,在直擊雷的通道上,人、畜、建筑物、弱電設備、架空線纜都將遭到毀滅性的打擊,所有防雷工程第一步就是要做好直擊雷的防護。

          一些工程防雷技術人員擔心避雷針是引雷針,安裝避雷針會引來更多的雷擊事故,這種想法是錯誤的。從吸引雷電迎面先導,然后通過引下線到接地裝置泄放雷電流這個意義上講,避雷針起到引雷作用,但它不可能把2~3公里以外的雷電吸引過來,造成自身雷擊。當鋪天蓋地的雷云過來時,雷電將打在較高的物體上,在沒有避雷針時,可能打在地面建筑的屋沿、屋角,屋脊任意一點。當有避雷針時,由于避雷針上空電場強度增強,避雷針尖端大氣容易擊穿形成電流通道。60~70%雷電優先擊中避雷針。我們作過調查分析,一幢安裝了18m避雷塔的25m大樓作分析計算雷擊概率僅增加了0.02%。因此在研究弱電系統雷電保護時,直擊雷的防護是必須要考慮的。

          1.1.2 雷電感應的損壞

          當雷電擊中某一建筑物或電源線、信號線附近時(一般在1~2km范圍內),建筑物內的電源線,信號線、金屬管道周圍將產生強大的電磁場,在線路中感應較強的雷電流、雷電壓,對弱電系統中的器件或者軟件造成破壞。

          1.2 我們用天線線圈做實驗,測算感應電壓的大小

          1.2.1 天線線圈的感應電壓計算

          對于信號系統部分,通訊電纜為直徑1cm的同軸電纜,同時沿線附有一根較細引下線,外面包有直徑2cm的塑料管,通訊電纜經過天線傳輸信號到達屋內的雙向傳輸終端設備,在這個線路段的走向過程中形成回路的可能性非常小,只有其中存在回路的時候才會由雷電流的產生的磁場變化而產生電流,以致損壞終端設備。在電纜自身形成感應環路的時候,應采取以下公式計算感應電壓:

          在IEC-61312-2-1999_EMP防護之屏蔽接地中,當附近有雷擊情況發生時,處在LPZ0區的天線將會受到雷電流形成的電磁場的影響,雷電流對于距電擊點距離為L處的磁場強度H,可以用以下公式得到:

          產生的最大感應電壓為:

          假設雷擊點距離電纜回路20m,對于10/350μs,幅值為100kA時di/dt最大值近似為1×1010A/S; 對于8/20μs,幅值為100kA時di/dt最大值近似為1.25×1010A/s;我國采用2.6/40μs的固定波頭長度,則di/dt最大值近似為4×1010A/s。

          天線的面積假設天線距離雷擊點大約20m,得到感應電動勢為12.5V。當距離天線距離更近,電流更大的時候,會產生更大的電流,可能會導致電子設備的損壞。

          1.2.2 在雷電直擊情況下,由于雷電流有極大峰值和陡度,在它周圍的空間有強大的變化的電磁場,處在這電磁場中的導體會感應出較大的電動勢。電子設備內一個很小的開口金屬環,在緊靠避雷針引下線處放置,當雷電流通過引下線入地時,在小金屬環開口處可感應出高達數千伏的高電壓,足以擊壞附近的電子元器件。

          雷電流的急劇變化導致H和B的急劇變化,從而在電纜形成的回路里面生成較大的感應電壓,當形成閉合回路的時候生成較大的電流,危及與這回路相接的電子設備。

          因此IEC一份技術報告中明確確定,在多雷區,連接設備之間電線小于30m時,重要一端設備安裝過電壓保護器(SPD),線間距離超過30m時,兩端設備均要安裝過電壓保護器(SPD)。

          實踐證明,雷電波沿著電源、信號線路侵入設備是造成弱電設備損壞的主要根源。因此我們對雷電波侵入采取多層次系統防護。除了做好直接雷防護外,還要采取以下措施,阻止或削弱雷電波侵入。

          2 防護基本措施

          2.1等電位連接

          我們對于弱電設備的建筑利用主筋、圈梁筋、地筋形成三維等電位連接。弱電機房采用S型或M型等電位連接。金屬法蘭盤橋架等均應做好等電位連接。

          2.2共用接地

          我們要把能夠直接相聯的交流地、直流地、靜電地、防雷地、保護地統統接在一起。不能直接相連需用SPD連接在一起。但直接雷的接地點(如鐵塔、避雷針帶及引下線)與通信機房接地點至少應離開5m距離。

          2.3屏蔽

          為了使弱電系統處于一個雷電磁脈沖比較弱的環境,因此要求建筑物的內外有良好的屏蔽,特別重要的機房內部要作六面體屏蔽,所有電源線、通信線纜應作有效屏蔽。

          2.4弱電系統SPD的選擇

          弱電系統的6V、12V、24V、48V信號電源應安裝相應的過電壓保護器。

          3 弱電系統的信號SPD選擇方式

          (1)首先要弄清楚測量和控制系統(或電信系統)是否只受電涌(作為沖擊電源用8/20μs波模擬)威脅,還是也受到首次雷擊分電流的威脅(用10/350μs沖擊電流模擬)一般情況下架空明線進入建筑物,應采用高能量(10/350μs)SPD,其它則采用8/20μs波形SPD。

          (2)共模保護還是差模保護

          共模電涌電流總是出現在信號線與地之間,差模電涌電流是兩根信號線之間產生的。弱電系統中的電涌大部分是共模電流。一般情況下,選用共模SPD、但有些情況下為了對精密儀器進行保護,有必要增加差模電流的保護。

          (3)是否先用帶去耦電路的SPD

          為了保護光耦合器輸入或帶內部保護電路(鉗位二極管)的輸入,因此在輸出端加去耦電阻。

          (4)頻率特性的選擇

          為了使SPD在被保護電路中的插入損耗小于3db,要求插入的SPD的截止頻率不得低于5倍的信號基波頻率。

          (5)SPD的標稱通流In選擇

          SPD的標稱通流In是根據流量、控制和調節(MCR)系統的工作電流來確定的。一般情況下In應大于MCR系統的工作電流,如0.1A,0.5A,1A等。

          (6)SPD的標稱耐壓UN選擇

          SPD的標稱電壓 高于MCR電路中出現的最高工作電壓。這樣使保護設備在正常條件下就不會出現任何限制的效果。

          (7)線/線或線/地電壓的選擇

          MCR電路中的信號源可以是差分(對稱)的也可以不是差分(不對稱)的,因此系統的工作電壓,一方面可以指示為線/線電壓,而另一方面也可以指示為線/地電壓。對不同的精密保護電路選擇不同的電壓。

          (8)SPD的串聯阻抗數據的選擇

          為了保護元件的配合,SPD內部安裝了去耦阻抗。由于去耦阻抗直接串聯在信號網絡中,會影響回路的信號電流,特別是在電流環路(0~20MA或4~20MA)回路中,因此去耦阻抗的選擇,必須考慮不會影響電流環回路的允許電流。

          (9)SPD的配合特性的選擇。

          對于不同電磁環境中的MCR設備,給出了不同的測試嚴酷度,SPD的抗擾度必須滿足相應的抗擾度的要求。如果在易爆易燃場所,還應考慮本征安全(EX)的要求。

          (10)選擇單級還是多級保護。

          選擇單級保護還是多級保護是根據MCR系統所處雷擊環境、設備的耐沖擊電壓及電路的響應時間定的。一般情況下放電管有較大的沖擊通流(3kA~5kA),而TVS瞬變二極管有較快的響應時間 1~2ns,選用多級保護時,級間應有去耦電阻或電感。

          4 小結

          本文主要講述了弱電系統雷電防護的一般原則。特別是MCR系統或通信系統中SPD的選擇,為從事防雷工程設計的人員提供參考。

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