雷電高發(fā)期儀器儀表的端口防雷保護
2023年01月08日 15:27:40
來源：云南昌暉儀表制造有限公司 >> 進入該公司展臺
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靜電放電(ESD)和電快速瞬變脈沖群(EFT)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)強的輻射發(fā)射，從而耦合到電纜和機殼線路。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載上可以測量到的感應(yīng)電壓可達到600V，這個電壓遠遠超出了典型數(shù)字的門限電壓值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措施。
1、防雷端口根據(jù)儀器儀表應(yīng)用的工程實踐，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。
1.1 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；位于機房內(nèi)的DCS機柜有可能受到大樓立柱泄流時的空氣放電。
1.2 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。因為從樓外信號端口進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1kV。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。
1.3電源端口電源端口是分布廣泛也容易感應(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)中沒有專門提到接地端口的指標(biāo)，實際上信息技術(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
2、儀器儀表的端口保護2.1 外殼端口儀器儀表的外殼端口保護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，比如說機柜、計算機室等。按照IEC1312-1《雷電電磁脈沖的防護》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)有效的雷電防護系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、檢查、維護。其保護方法主要有三種：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，主要通過建筑物地下網(wǎng)狀接地系統(tǒng)達到要求。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入儀器儀表系統(tǒng)引起。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。
2.1.2 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。
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