分散型控制系統(tǒng)的防雷分析

1. 問題的提出

　　凡是基于微電子器件的控制設備，都存在著耐壓低、對電磁脈沖特別敏感的短處。雷電引起的各種過電壓可達數(shù)百乃至數(shù)千、數(shù)萬伏，而基于微電子器件系統(tǒng)的耐壓值都很低，一般承受不了正負5V的電壓波動。美國通用研究公司R·D·希爾用仿真試驗建立的模型表明：對無屏蔽的計算機，當雷電電磁脈沖的磁場強度超過0.03×10-4T時，計算機會誤動作;當超過2.4×10-4T時，計算機會永久性損壞。所以，如無一定的防護措施，即便是質量很高的信息控制系統(tǒng)，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，進口的控制系統(tǒng)(如應用在某化學公司的美國GE系統(tǒng)和SMART現(xiàn)場總線等)都曾遭受過雷電的侵害。又根據(jù)資料報道，在中國氣象部門，像國家氣象中心的大型計算機網(wǎng)絡、通信系統(tǒng)等要害部門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古老的技術，但是防雷技術在近二十年發(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轉變：

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

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

　　3)以前檢驗接地系統(tǒng)是否合格以接地電阻值為準，現(xiàn)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，防雷技術和防雷概念雖然有了很大的變化，但直至現(xiàn)在，防雷的理論基礎仍然還是安全地引雷入地，閃電是一個電流源(更確切地說是電流波)，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變。

　　3雷電對分散型控制系統(tǒng)危害的形式

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

　　直擊雷對分散型控制系統(tǒng)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、接地體流動過程中，在土壤中產(chǎn)生強大的感應電磁場，通過感應耦合到DCS等電子設備內(nèi)，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，強大的瞬間雷電流通過引下線流入接地裝置，會使局部的地電位浮動并產(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(tǒng)的接地體沒有足夠的絕緣距離的話，則它們之間會產(chǎn)生放電，這種現(xiàn)象稱為雷電反擊，它會對控制室內(nèi)的DCS系統(tǒng)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，它對DCS系統(tǒng)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，在引下線內(nèi)會通過強大的瞬間雷電流，如果在引下線周圍的一定距離內(nèi)設有連接DCS系統(tǒng)的電纜(包括電源、通信以及I/O電纜)，則引下線內(nèi)的雷電流會對DCS的電纜產(chǎn)生電磁輻射，將雷電波引入DCS系統(tǒng)，干擾或損壞DCS系統(tǒng);

　　2)當控制室周圍發(fā)生雷擊放電時，會在各種金屬管道、電纜線路上產(chǎn)生感應電壓。如果這些管道和線路引進到控制室把過電壓傳到DCS系統(tǒng)上，就會對DCS系統(tǒng)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)過時，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(xiàn)局部高電位，它會對周圍的導線或金屬物產(chǎn)生影響，這種靜電感應電壓也會對DCS系統(tǒng)產(chǎn)生干擾或損壞。根據(jù)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而導致的雷電反擊。

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

4. 分散型控制系統(tǒng)及控制室防雷的主要措施

　　根據(jù)《建筑物防雷設計規(guī)范》(GB50057-94 2000年版)的規(guī)定，建筑物應根據(jù)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防雷建筑物、第二類防雷建筑物和第三類防雷建筑物。第一類要求最高，第二類次之。DCS控制室如果和生產(chǎn)裝置在同一建筑物內(nèi)，其防直擊雷設施應連同生產(chǎn)裝置的特點綜合確定和設計。如果DCS控制室是獨立的建筑物，應按該規(guī)范規(guī)定的第三類防雷建筑物的標準設防?！⒖刂剖业膲臀菝鎯?nèi)的鋼筋、金屬門窗等進行等電位聯(lián)接，并與防直擊雷的接地裝置相聯(lián)接，使控制室形成一個法拉第籠，可以減少受電磁脈沖的影響。飛行器內(nèi)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題作一強調和說明。國家石油和化學工業(yè)局于2000年發(fā)布的《儀表系統(tǒng)接地設計規(guī)定》(HG/T 20513-2000)對屏蔽電纜的接地，原則上是規(guī)定一端接地，另一端懸空。但單端接地只能防靜電感應，不能防磁場強度變化所感應的電壓，無助于阻礙雷電波的侵入。為了減少屏蔽芯線的感應電壓，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)生減低源磁場強度的磁通，從而基本上可抵消無外層屏蔽層時所感應的電壓。為此，可以利用金屬走線槽或穿金屬管作為第二屏蔽層并用兩端接地的方法來實現(xiàn)。從防雷的角度來看，走線槽應選擇金屬材質，而不應選用環(huán)氧樹脂。