雷電防護(hù)技術(shù)課程體系

核儀器儀表的雷電防護(hù)技術(shù)

靜電放電(ESD)和電快速瞬變脈沖群(EFT)對(duì)核儀器儀表系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生不同程度的危害。靜電放電在5～200MHz的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的射頻輻射。此輻射能量的峰值經(jīng)常出現(xiàn)在35MHz～45MHz之間發(fā)生自激振蕩。許多信息傳輸電纜的諧振頻率也通常在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，結(jié)果電纜中便串入了大量的靜電放電輻射能量。電快速瞬變脈沖群也產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)的輻射發(fā)射，從而耦合到電纜和機(jī)殼線路。當(dāng)電纜暴露在4～8kV靜電放電環(huán)境中時(shí)，信息傳輸電纜終端負(fù)載上可以測(cè)量到的感應(yīng)電壓可達(dá)到600V，這個(gè)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了典型數(shù)字儀器儀表的門(mén)限電壓值0.4V，典型的感應(yīng)脈沖持續(xù)時(shí)間大約為400納秒。

核儀器儀表在使用中經(jīng)常會(huì)遇到意外的電壓瞬變和浪涌，從而導(dǎo)致電子設(shè)備的損壞，損壞的原因是儀器儀表中的半導(dǎo)體器件(包括二極管、晶體管、可控硅和集成電路等)被燒毀或擊穿。據(jù)統(tǒng)計(jì)儀器儀表的故障有75%是由于瞬變和浪涌造成的。電壓的瞬變和浪涌無(wú)處不在，電網(wǎng)、雷擊、爆破，就連人在地毯上行走都會(huì)產(chǎn)生上萬(wàn)伏的靜電感應(yīng)電壓，這些，都是儀器儀表的隱形致命殺手。因此，為了提高儀器儀表的可靠性和人體自身的安全性，必須對(duì)電壓瞬變和浪涌采取防護(hù)措施。

1.防雷端口

根據(jù)核儀器儀表應(yīng)用的工程實(shí)踐，儀器儀表受雷擊可大致分為直擊雷、感應(yīng)雷和傳導(dǎo)雷。但不論以哪一種形式到達(dá)設(shè)備都可歸納為從以下4個(gè)部位侵入的雷電浪涌，在此把這些部位稱(chēng)為防雷端口，并以核儀器儀表舉例說(shuō)明。

1.1外殼端口

比如說(shuō)，我們可以把任何一個(gè)大的或小的儀器儀表或系統(tǒng)視為一個(gè)整體的外殼，如傳感器、傳輸線、信號(hào)中繼、現(xiàn)場(chǎng)儀表、DCS系統(tǒng)等，它們都有可能完全暴露在環(huán)境中受到直接雷擊，造成設(shè)備損壞。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)設(shè)備外殼受到4kv的雷電靜電放電時(shí)，都會(huì)影響儀器儀表或系統(tǒng)的正常運(yùn)行。例如放置于室外的傳感器端子箱有可能受到雷電接觸放電;位于機(jī)房?jī)?nèi)的DCS機(jī)柜有可能受到大樓立柱泄流時(shí)的空氣放電。

1.2信號(hào)線端口(含天饋線、數(shù)據(jù)線、控制線等)

在控制系統(tǒng)中,為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)或信息的傳遞總要有與外界連接的部位,如過(guò)程控制系統(tǒng)的信號(hào)交接端的總配線架、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的終端、微波設(shè)備到天線的饋線口等等，那么這些從外界接收信號(hào)或發(fā)射信號(hào)出去的接口都有可能受到雷電浪涌沖擊。因?yàn)閺臉峭庑盘?hào)端口進(jìn)來(lái)的浪涌往往通過(guò)長(zhǎng)電纜，所以采用10/700μs波形，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定線到線間浪涌電壓為0.5kV，線到地間浪涌電壓為1 kV。而樓內(nèi)儀器儀表之間傳遞信號(hào)的端口受到浪涌沖擊相當(dāng)于電源線上的浪涌沖擊，采用1.2/50(8/20)μs組合波，線到線、線到地浪涌電壓限值不變。一旦超過(guò)限值，信號(hào)端口和端口后的設(shè)備有可能遭受損壞。

1.3電源端口

電源端口是分布最廣泛也最容易感應(yīng)或傳導(dǎo)雷電浪的部位，從配電箱到電源插座這些電源端口可以處在任何位置。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在1.2/50(8/20)μs 波形下線與線之間浪涌電壓限值為0.5kV，線到地浪涌電壓限制為1kv。但這里的浪涌電壓是指明工作電壓為220V交流進(jìn)入的，如果工作電壓較低則不能以此為標(biāo)準(zhǔn)，電源線上受較小的浪涌沖擊不一定立即損壞設(shè)備，但至少壽命有影響。

1.4接地端口

盡管在標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有專(zhuān)門(mén)提到接地端口的指標(biāo)，實(shí)際上信息技術(shù)設(shè)備地端口是非常重要的。在雷電發(fā)生時(shí)接地端口有可能受到地電位反擊、地電位升高影響，或者由于接地不良、接地不當(dāng)使地阻過(guò)大達(dá)不到參考電位要求使設(shè)備損壞。接地端口不僅對(duì)接地電阻/接地線極(長(zhǎng)度、直徑、材料)、接地方式、地網(wǎng)的設(shè)置等有要求，而且還與設(shè)備的電特性、工作頻段、工作環(huán)境等有直接的關(guān)系。同時(shí)從接地端還有可能反擊到直流電源端口損壞直流工作電壓的設(shè)備。綜上所述，信息技術(shù)設(shè)備的防雷可以考慮從四個(gè)關(guān)鍵的端口入手

2.核儀器儀表的端口保護(hù)

2.1外殼端口

儀器儀表的外殼端口保護(hù)不僅僅是建筑物外殼，也應(yīng)當(dāng)包括某個(gè)設(shè)備的外殼或者某套系統(tǒng)的外殼，比如說(shuō)機(jī)柜、計(jì)算機(jī)室等。按照IEC 1312—1《雷電電磁脈沖的防護(hù)》第一部分(一般原則)的適用范圍為：建筑物內(nèi)或建筑物頂部?jī)x器儀表系統(tǒng)有效的雷電防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、檢查、維護(hù)。其保護(hù)方法主要有三種：接地、屏蔽及等電位連接。

2.1.1接地

IEC1024—1已經(jīng)闡述了建筑物防雷接地的方法，主要通過(guò)建筑物地下網(wǎng)狀接地系統(tǒng)達(dá)到要求。儀器儀表系統(tǒng)防雷時(shí)還要求對(duì)相鄰兩建筑物之間通過(guò)的電力線，通信電纜均必須與建筑物接地系統(tǒng)連接起來(lái)(不能形成回路)，以利用多條并行路徑減少電纜中的電流。

儀器儀表系統(tǒng)的接地更應(yīng)當(dāng)注意系統(tǒng)的安全性和防止其它系統(tǒng)干擾。一般來(lái)說(shuō)工作狀態(tài)下儀器儀表系統(tǒng)接地不能直接和防雷地線相連，否則將有雜散電流進(jìn)入儀器儀表系統(tǒng)引起信號(hào)干擾。正確的連接方式應(yīng)當(dāng)在地下將兩個(gè)不同地網(wǎng)，通過(guò)放電器低壓避雷器連接，使其在雷擊狀態(tài)下自動(dòng)連通。

2.1.2屏蔽

從理論上考慮，屏蔽對(duì)儀器儀表外殼防雷是非常有效的。但從經(jīng)濟(jì)合理角度來(lái)看，還是應(yīng)當(dāng)從設(shè)備元器件抗擾度及對(duì)屏蔽效能的要求來(lái)選擇不同的屏蔽方法。線路屏蔽，即在儀器儀表系統(tǒng)中采用屏蔽電纜已被廣泛應(yīng)用。但對(duì)于設(shè)備或系統(tǒng)的屏蔽需要視具體情況而定。IEC提出了采用建筑物鋼筋連到金屬框架的措施舉例。

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