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(shè)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(dá)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(fù)5V的電壓波動(dòng)。美國通用研究公司R·D·希爾用仿真試驗(yàn)建立的模型表明：對無屏蔽的計(jì)算機(jī)，當(dāng)雷電電磁脈沖的磁場強(qiáng)度超過0.03×10-4T時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)誤動(dòng)作;當(dāng)超過2.4×10-4T時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)永久性損壞。所以，如無一定的防護(hù)措施，即便是質(zhì)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(yùn)行。

　　我們從調(diào)研中得知，進(jìn)口的控制系統(tǒng)(如應(yīng)用在某化學(xué)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(bào)道，在中國氣象部門，像國家氣象中心的大型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、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(zhuǎn)變

　　建筑物的防雷是一門古老的技術(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(zhuǎn)變：

　　1)防雷的重點(diǎn)從人身和電氣設(shè)備的安全轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄓ嵑托畔⑾到y(tǒng)的安全。過去建筑物的防雷技術(shù)以防直擊雷為主，側(cè)重防機(jī)械性破壞和雷電反擊;現(xiàn)在則以防感應(yīng)雷擊為主，側(cè)重防雷電的電磁感應(yīng)效應(yīng)。

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

　　3)以前檢驗(yàn)接地系統(tǒng)是否合格以接地電阻值為準(zhǔn)，現(xiàn)在側(cè)重于接地結(jié)構(gòu)兼接地電阻值，特別是從獨(dú)立接地到等電位聯(lián)接方式的轉(zhuǎn)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(xiàn)在，防雷的理論基礎(chǔ)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(dòng)過程中，在土壤中產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)電磁場，通過感應(yīng)耦合到DCS等電子設(shè)備內(nèi)，損壞DCS等電子設(shè)備;

　　2)控制室建筑物的防直擊雷裝置在接閃時(shí)，強(qiáng)大的瞬間雷電流通過引下線流入接地裝置，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(dú)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(huì)產(chǎn)生放電，這種現(xiàn)象稱為雷電反擊，它會(huì)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(qiáng)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(dāng)控制室建筑物的防直擊雷裝置接閃時(shí)，在引下線內(nèi)會(huì)通過強(qiáng)大的瞬間雷電流，如果在引下線周圍的一定距離內(nèi)設(shè)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(huì)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(dāng)控制室周圍發(fā)生雷擊放電時(shí)，會(huì)在各種金屬管道、電纜線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。如果這些管道和線路引進(jìn)到控制室把過電壓傳到DCS系統(tǒng)上，就會(huì)對DCS系統(tǒng)產(chǎn)生干擾或損壞。

　　此外，當(dāng)空中攜帶大量電荷的雷云從控制室上空經(jīng)過時(shí)，由于靜電感應(yīng)使地面某一范圍帶上異種電荷，當(dāng)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(huì)對周圍的導(dǎo)線或金屬物產(chǎn)生影響，這種靜電感應(yīng)電壓也會(huì)對DCS系統(tǒng)產(chǎn)生干擾或損壞。根據(jù)我們的調(diào)查，上述幾種的雷電干擾形式，最嚴(yán)重的干擾源是：

　　*直擊雷造成的地電位浮動(dòng)而導(dǎo)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(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50057-94 2000年版)的規(guī)定，建筑物應(yīng)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(shè)施應(yīng)連同生產(chǎn)裝置的特點(diǎn)綜合確定和設(shè)計(jì)。如果DCS控制室是獨(dú)立的建筑物，應(yīng)按該規(guī)范規(guī)定的第三類防雷建筑物的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防?！⒖刂剖业膲臀菝鎯?nèi)的鋼筋、金屬門窗等進(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(nèi)的電子設(shè)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題作一強(qiáng)調(diào)和說明。國家石油和化學(xué)工業(yè)局于2000年發(fā)布的《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)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(yīng)，不能防磁場強(qiáng)度變化所感應(yīng)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(yīng)電壓，僅在屏蔽層一端做等電位聯(lián)接的情況下，應(yīng)采用有絕緣隔開的雙層屏蔽，外層屏蔽應(yīng)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(dǎo)體構(gòu)成了環(huán)路，感應(yīng)出一電流，因此產(chǎn)生減低源磁場強(qiáng)度的磁通，從而基本上可抵消無外層屏蔽層時(shí)所感應(yīng)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(shí)現(xiàn)。從防雷的角度來看，走線槽應(yīng)選擇金屬材質(zhì)，而不應(yīng)選用環(huán)氧樹脂。