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弱电信号的雷电防护
发布者:admin 发布时间:2012-12-26 15:53:50 阅读:2132

 

    弱电信号主要包括以下几个方面:

1高速数据采集系统(DCS),主要用在石油化工、燃气、自来水、气象、电力、通信、部队等行业的各种数据采集单元。

2自动化控制系统(PLC),广泛应用在石油、化工、燃气、消防、重型机械等生产过程控制中。

3智能化建筑,如计算机网络系统,程控交换机、视频监控、消防、门禁、一卡通、车管系统等。

4精细保护系统,如石油、化工的本征安全,精密仪器的保护;各种精密传感器,如称重、压力、角度、温度、流量计等器件的保护。

5工业控制总线的保护,如消防用的RS-485CAN总线、profibus总线的保护。

由于这些系统大量采用了COMS电路,工作电平在TTL,极易受到雷击电磁脉冲的冲击。轻则造成软件故障、当机,停工停产。重则造成设备损坏、生产瘫痪。因此应引起各行各业的高度重视。

1 雷电对弱电系统的损害

1.1雷电的危害

在地球表面每时每刻同时发生2000次左右的闪电,其中雷击大地的闪电就多达30100个,因此,雷暴灾害被联合国列为世界十大自然灾害之一,一点不为过。

我国每年的雷害损失达100亿人民币,特别是在化工、石油、燃气、烟花、鞭炮、煤矿等高危爆炸行业,人员伤亡更为突出。

1.1.1直击雷的危害。

理论上,直接雷的波形一般为10/350μs,能量非常大,一次雷击能达到几十库仑的电量,在直雷的通道上,人、畜、建筑物、弱电设备、架空线缆都将遭到毁灭性的打击,所有防雷工程第一步就是要做好直雷的防护。

一些工程防雷技术人员担心避雷针是引雷针,安装避雷针会引来更多的雷击事故,这种想法是错误的。从吸引雷电迎面先导,然后通过引下线到接地装置泄放雷电流这个意义上讲,避雷针起到引雷作用,但它不可能把23公里以外的雷电吸引过来,造成自身雷击。当铺天盖地的雷云过来时,雷电将打在较高的物体上,在没有避雷针时,可能打在地面建筑的屋沿、屋角,屋脊任意一点。当有避雷针时,由于避雷针上空电场强度增强,避雷针尖端大气容易击穿形成电流通道。6070%雷电优先击中避雷针。我们作过调查分析,一幢安装了18m避雷塔的25m大楼作分析计算雷击概率仅增加了0.02%。因此在研究弱电系统雷电保护时,直雷的防护是必须要考虑的。

1.1.2 雷电感应的损坏

当雷电击中某一建筑物或电源线、信号线附近时(一般在12km范围内),建筑物内的电源线,信号线、金属管道周围将产生强大的电磁场,在线路中感应较强的雷电流、雷电压,对弱电系统中的器件或者软件造成破坏。

1.2 我们用天线线圈做实验,测算感应电压的大小

1.2.1 天线线圈的感应电压计算

对于信号系统部分,通讯电缆为直径1cm的同轴电缆,同时沿线附有一根较细引下线,外面包有直径2cm的塑料管,通讯电缆经过天线传输信号到达屋内的双向传输终端设备,在这个线路段的走向过程中形成回路的可能性非常小,只有其中存在回路的时候才会由雷电流的产生的磁场变化而产生电流,以致损坏终端设备。在电缆自身形成感应环路的时候,应采取以下公式计算感应电压:


    在IEC-61312-2-1999_EMP防护之屏蔽接地中,当附近有雷击情况发生时,处在LPZ0区的天线将会受到雷电流形成的电磁场的影响,雷电流对于距电击点距离为L处的磁场强度H,可以用以下公式得到:

   

 

 


   产生的最大感应电压为:


假设雷击点距离电缆回路20m,对于10/350μs,幅值为100kAdi/dt最大值近似为1×1010A/S; 对于8/20μs,幅值为100kAdi/dt最大值近似为1.25×1010A/s我国采用2.6/40μs的固定波头长度,则di/dt最大值近似为4×1010A/s

 

 

 


   

  天线的面积假设天线距离雷击点大约20m,得到感应电动势为12.5V。当距离天线距离更近,电流更大的时候,会产生更大的电流,可能会导致电子设备的损坏。

1.2.2 在雷电直击情况下由于雷电流有极大峰值和陡度,在它周围的空间有强大的变化的电磁场,处在这电磁场中的导体会感应出较大的电动势。电子设备内一个很小的开口金属环,在紧靠避雷针引下线处放置,当雷电流通过引下线入地时,在小金属环开口处可感应出高达数千伏的高电压,足以击坏附近的电子元器件。

雷电流的急剧变化导致HB的急剧变化,从而在电缆形成的回路里面生成较大的感应电压,当形成闭合回路的时候生成较大的电流,危及与这回路相接的电子设备。

因此IEC一份技术报告中明确确定,在多雷区,连接设备之间电线小于30m时,重要一端设备安装过电压保护器(SPD),线间距离超过30m时,两端设备均要安装过电压保护器(SPD)。

实践证明,雷电波沿着电源、信号线路侵入设备是造成弱电设备损坏的主要根源。因此我们对雷电波侵入采取多层次系统防护。除了做好直接雷防护外,还要采取以下措施,阻止或削弱雷电波侵入。

 

防护基本措施

2.1等电位连接

    我们对于弱电设备的建筑利用主筋、圈梁筋、地筋形成三维等电位连接。弱电机房采用S型或M型等电位连接。金属法兰盘桥架等均应做好等电位连接。

2.2共用接地

    我们要把能够直接相联的交流地、直流地、静电地、防雷地、保护地统统接在一起。不能直接相连需用SPD连接在一起。但直接雷的接地点(如铁塔、避雷针带及引下线)与通信机房接地点至少应离开5m距离。

2.3屏蔽

为了使弱电系统处于一个雷电磁脉冲比较弱的环境,因此要求建筑物的内外有良好的屏蔽,特别重要的机房内部要作六面体屏蔽,所有电源线、通信线缆应作有效屏蔽。

2.4弱电系统SPD的选择

弱电系统的6V12V24V48V信号电源应安装相应的过电压保护器。

 

3 弱电系统的信号SPD选择方式

1首先要弄清楚测量和控制系统(或电信系统)是否只受电涌(作为冲击电源用8/20μs波模拟)威胁,还是也受到首次雷击分电流的威胁(用10/350μs冲击电流模拟)一般情况下架空明线进入建筑物,应采用高能量(10/350μsSPD,其它则采用8/20μs波形SPD

2共模保护还是差模保护

   共模电涌电流总是出现在信号线与地之间,差模电涌电流是两根信号线之间产生的。弱电系统中的电涌大部分是共模电流。一般情况下,选用共模SPD、但有些情况下为了对精密仪器进行保护,有必要增加差模电流的保护。

   (3是否先用带去耦电路的SPD

    为了保护光耦合器输入或带内部保护电路(钳位二极管)的输入,因此在输出端加去耦电阻。

   (4频率特性的选择

为了使SPD在被保护电路中的插入损耗小于3db,要求插入的SPD的截止频率不得低于5倍的信号基波频率。

   (5SPD的标称通流In选择

SPD的标称通流In是根据流量、控制和调节(MCR)系统的工作电流来确定的。一般情况下In应大于MCR系统的工作电流,如0.1A0.5A1A等。

   (6SPD的标称耐压UN选择

SPD的标称电压 高于MCR电路中出现的最高工作电压。这样使保护设备在正常条件下就不会出现任何限制的效果。

7线/线或线/地电压的选择

MCR电路中的信号源可以是差分(对称)的也可以不是差分(不对称)的,因此系统的工作电压,一方面可以指示为线/线电压,而另一方面也可以指示为线/地电压。对不同的精密保护电路选择不同的电压。

8SPD的串联阻抗数据的选择

为了保护元件的配合,SPD内部安装了去耦阻抗。由于去耦阻抗直接串联在信号网络中,会影响回路的信号电流,特别是在电流环路(020MA420MA)回路中,因此去耦阻抗的选择,必须考虑不会影响电流环回路的允许电流。

9SPD的配合特性的选择。

对于不同电磁环境中的MCR设备,给出了不同的测试严酷度,SPD的抗扰度必须满足相应的抗扰度的要求。如果在易爆易燃场所,还应考虑本征安全(EX)的要求。

10选择单级还是多级保护。

选择单级保护还是多级保护是根据MCR系统所处雷击环境、设备的耐冲击电压及电路的响应时间定的。一般情况下放电管有较大的冲击通流(3kA5kA,TVS瞬变二极管有较快的响应时间 12ns,选用多级保护时,级间应有去耦电阻或电感。

 

4 小结

本文主要讲述了弱电系统雷电防护的一般原则。特别是MCR系统或通信系统中SPD的选择,为从事防雷工程设计的人员提供参考。

 
 

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