淺談如何避免儀器儀表的電壓瞬變和浪涌的危害

熟悉電器工程的都了解，靜電放電和電快速瞬變脈沖群對儀器儀表系統(tǒng)會產(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，信息傳輸電纜終端負(fù)載上可以測量到的感應(yīng)電壓可達(dá)到600V，這個電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了典型數(shù)字儀器儀表的門限電壓值0.4V，典型的感應(yīng)脈沖持續(xù)時間大約為400納秒。

     儀器儀表在使用中經(jīng)常會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處不在，電網(wǎng)、雷擊、爆破，就連人在地毯上行走都會產(chǎn)生上萬伏的靜電感應(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，必須對電壓瞬變和浪涌采取防護(hù)措施。

一、防雷端口
根據(jù)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個部位侵入的雷電浪涌，在此把這些部位稱為防雷端口，并以儀器儀表舉例說明。

1.外殼端口
  比如說，我們可以把任何一個大的或小的儀器儀表或系統(tǒng)視為一個整體的外殼，如傳感器、傳輸線、信號中繼、現(xiàn)場儀表、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，都會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)房內(nèi)的DCS機(jī)柜有可能受到大樓立柱泄流時的空氣放電。

2.信號線端口(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)信號或信息的傳遞總要有與外界連接的部位,如過程控制系統(tǒng)的信號交接端的總配線架、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或發(fā)射信號出去的接口都有可能受到雷電浪涌沖擊。因?yàn)閺臉峭庑盘柖丝谶M(jìn)來的浪涌往往通過長電纜，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。一旦超過限值，信號端口和端口后的設(shè)備有可能遭受損壞。

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。

4.接地端口
盡管在標(biāo)準(zhǔn)中沒有專門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)使地阻過大達(dá)不到參考電位要求使設(shè)備損壞。接地端口不僅對接地電阻/接地線極(長度、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關(guān)鍵的端口入手，如圖1。
 
二、儀器儀表的端口保護(hù)

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)包括某個設(shè)備的外殼或者某套系統(tǒng)的外殼，比如說機(jī)柜、計算機(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)或建筑物頂部儀器儀表系統(tǒng)有效的雷電防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計、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。

a.接地——IEC1024—1已經(jīng)闡述了建筑物防雷接地的方法，主要通過建筑物地下網(wǎng)狀接地系統(tǒng)達(dá)到要求。儀器儀表系統(tǒng)防雷時還要求對相鄰兩建筑物之間通過的電力線，通信電纜均必須與建筑物接地系統(tǒng)連接起來(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。一般來說工作狀態(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)引起信號干擾。如電磁流量計往往都需要接地進(jìn)行避雷。正確的連接方式應(yīng)當(dāng)在地下將兩個不同地網(wǎng)，通過放電器低壓避雷器連接，使其在雷擊狀態(tài)下自動連通。

b.屏蔽——從理論上考慮，屏蔽對儀器儀表外殼防雷是非常有效的。但從經(jīng)濟(jì)合理角度來看，還是應(yīng)當(dāng)從設(shè)備元器件抗擾度及對屏蔽效能的要求來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。
  IEC1312—2作了如下描述：建筑物內(nèi)部儀器儀表系統(tǒng)的主要電磁干擾源是由一次閃擊是的幾個雷擊的瞬時電流造成的瞬態(tài)磁場。如果包含儀器儀表系統(tǒng)的建筑物或房間，用大空間屏蔽，通常在這樣的措施下瞬時電場被減少到一個足夠低的值。

c.等電位接連——等電位連接的目的是減小儀器儀表之間和儀器儀表與金屬部件之間的電位差。在防雷區(qū)的界面處的等電位連接要考慮建筑物內(nèi)的儀器儀表系統(tǒng)，在那些對雷電電磁脈沖效應(yīng)要求最小的地方，等電位連接帶最好采用金屬板，并多次與建筑物的鋼筋連接或連接在其它屏蔽物的構(gòu)件上。對于儀器儀表系統(tǒng)的外露導(dǎo)電物應(yīng)建立等位連接網(wǎng)，原則上一個電位連接網(wǎng)不需要直接連在大地，但實(shí)際上所有等電位連接網(wǎng)都有通大地的連接。

2.信號線端口
  信號線端口保護(hù)現(xiàn)在已經(jīng)在已有許多類型的較為成熟的保護(hù)器件，比如儀器儀表信號網(wǎng)絡(luò)不同接口保護(hù)器、天饋線保護(hù)器、終端設(shè)備的保安單元等。在保護(hù)器選擇時除了保護(hù)器本身的性能外，應(yīng)該注意保護(hù)設(shè)備的傳輸速率、插入衰耗限值、駐波比、工作電壓、工作電流等相關(guān)指標(biāo)，如果在同一系統(tǒng)(或網(wǎng)絡(luò))使用多級保護(hù)還應(yīng)該考慮相互配合問題。值得提出的是，當(dāng)前由于商業(yè)因素，在同一網(wǎng)絡(luò)中有過多使用保護(hù)器的傾向，其反而帶來降低速率、增大衰耗、傳輸失真、信息丟失等問題。因此筆者認(rèn)為對某一網(wǎng)絡(luò)的信號端口保護(hù)應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)出的交界面處安裝合適的保護(hù)器即可。

在信號端口竄入的瞬態(tài)電流最容易損壞信號交換或轉(zhuǎn)換單元及過程控制計算機(jī)，如主板、并行口、信號接口卡等。事實(shí)上瞬態(tài)電流或浪涌可能通過不同途徑被引入到信號傳輸網(wǎng)絡(luò)中，IEEE 802—3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中列出了四種可能對網(wǎng)絡(luò)造成威脅的情況：
①局域網(wǎng)絡(luò)元件和供電回路或受電影響的電路發(fā)生直接接觸。
②局域網(wǎng)電纜和元件上的靜電效果。
③高能量瞬態(tài)電流同局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)耦合(由網(wǎng)絡(luò)電纜附近的電纜引入)。
④彼此相連的網(wǎng)絡(luò)元件的地線電壓間有細(xì)小差別(例如兩幢不同建筑的安全地線電壓就有可能略有不同)。

   以數(shù)據(jù)通信線為例，在RS—232的串、并行口的標(biāo)準(zhǔn)中，用于泄放高能浪涌和故障電流的地線同數(shù)據(jù)信號的返回路徑共享一條線路，而小至幾十伏的瞬態(tài)電壓都有可能通過這些串、并行口而毀壞計算機(jī)及打印機(jī)等設(shè)備，信號傳輸線也能直接將戶外電源線上的瞬態(tài)浪涌傳導(dǎo)進(jìn)來，而信號接口能夠傳導(dǎo)由閃電和靜電泄漏引起的浪涌電壓。
用戶應(yīng)當(dāng)對數(shù)據(jù)線保護(hù)器慎重選擇，有些保護(hù)器雖然起到了“分流"作用，但常常是將硅雪崩二極管(SAD)接在被保護(hù)線路和保護(hù)器外殼之間，測試表明SAD的鉗位性能很好，但它電涌分流能力有限。同時壓敏電阻(MOV)也不能在數(shù)據(jù)線保護(hù)器上使用。先進(jìn)的過程控制系統(tǒng)的信號接口防雷保護(hù)裝置(無論是RS—232串等通信接口還是計算機(jī)同軸網(wǎng)絡(luò)適配器接口)目前均采用瞬態(tài)過電壓半導(dǎo)體放電管，其沖擊殘壓參數(shù)指標(biāo)很重要。有條件能夠采取多級保護(hù)設(shè)計電路效果更佳。天饋線保護(hù)器基本采用波導(dǎo)分流原理，其中發(fā)射功率400W，額定測試放電電流(8/20μs)5 kA，傳輸頻率＜2.5GHz，插入損耗＜0.8dB,響應(yīng)時間＜100ns。

3.電源端口
  原則上采用多級SPD做電源保護(hù)，但信息系統(tǒng)的電源保護(hù)由于其敏感性必須采用較低的殘壓值的保護(hù)器件，且此殘壓應(yīng)當(dāng)?shù)陀谛枰Ｗo(hù)設(shè)備的耐壓能力。同時還必須考慮到電磁干擾對儀器儀表系統(tǒng)的影響，因此帶過濾波的分流設(shè)計應(yīng)當(dāng)更加理想。所以對于儀器儀表系統(tǒng)電源保護(hù)特別注意的兩點(diǎn)是：前兩級采用通流容量大的保護(hù)器，在儀器儀表終端處則采用殘壓較低的保護(hù)器。最后一級的保護(hù)器中最好有濾波電路。對儀器儀表系統(tǒng)電源端口安裝SPD時應(yīng)注意以下問題：
①多級SPD應(yīng)當(dāng)考慮能量配合、時間配合、距離配合。如果配合不當(dāng)?shù)脑?，效果將適得其反。
②連接防雷保護(hù)器的引線應(yīng)當(dāng)盡量粗和短。
③全保護(hù)時盡可能將所有連接線捆扎在一起。