瞬间过电压—雷击对于工业自动化系统模拟信号仪表及采集装置危害的分析及应用

瞬间过电压—雷击对于工业自动化系统模拟信号仪表及采集装置危害的分析及应用

李昆仑 严廷海

华自科技股份有限公司 湖南长沙 410205

前言

随着工业自动化、集成化的发展、现代电子信息技术的发展，控制系统和智能仪表设备越来越多，这些电子设备和系统的信号电平越来越低，芯片集成化程度约来越高，其对瞬间过电压的承受能力大幅降低，模拟量信号已广泛用于水电站、变电站、DCS、油、气、水等工业自动化系统之中，且易受雷电损害的主要设备。所以我们需对采用模拟量信号装置及信号采集装置的自动化系统采取有效的保护措施，了解瞬间过电压产生途径和危害，并采取正确采取防护措施保证模拟量设备不受损坏，保证自动化控制系统可靠、安全的运行。

瞬闻过电压—雷击

瞬间过电压是指在微秒至毫秒之内所产生的的尖峰冲击电压而非一般电源上的所谓过压，一般电源过压可能维持数秒及以上， 一般构筑物避雷网只能保护其本身免受直击雷损害，雷击会通过以下两种方式破坏电子设备：

一是直击到电源输入线，经电源线进入而损害设备，因电力线上安装的各种保护间隙和电力避雷器，只可把线对地的电压限制到小于6000伏，而线对线无法控制。通常工厂自动化系统的控制站都置于构筑物之中，信号线、电源线铺设于电缆沟中，因而遭受直接雷击的可能性不大，其防护的主要对象是雷电波侵入(感应)，我们也称之为间接雷。

二是以感应方式（电阻性、电感性、电容性）偶合到电源、信号线上，最终损害设备。按国外统计资料显示雷电波侵入(感应)危害，占计算机类设备雷击事故的85％。雷电波侵入（感应偶合）对自动化系统的破坏，主要是通过侵入电源线、天馈线、通讯线和信号线而分别损坏电源模板、通讯模板、I／0板、DSP板，也可能因感应从信号采集线和接地网引入有害的信号电流和接地电流，损坏自动化系统或影响其运行。

现场仪表

现场仪表有流量表、压力表、温度表、湿度表、油位表、水位仪等，早期的这些仪表只是用来作为现场监测，不需要远传信息，所以大多数以指针表为主，随着仪表技术的不断发展和市场经济的兴起，智能化仪表已经得到广泛的应用。如水电站、火电站、变电站、工厂、自来水厂、和污水处理厂，一根根管道输送出的水量必须靠无数台安装在管道上的流量表送出计量数据；石油输送和加油站需要通过压力表、流量来监测管道的压力和流量；供热供气单位需要通过这些仪表知道供热供气量进行经济核算；环境温度水位等监测能提供现场的实际参数等。

智能的现场仪表以提供模拟信号为主，为减少干扰大多为4-20mA的电流信号，其原理是通过水位、流量、压力等传感器把一些参数转换成成比例的标准模拟信号，它的工作电源一般为24V的直流电，它和输出信号一样，都是通过电缆线与其他设备相连。这样就出现了两类防雷器，一类用于现场保护一次仪表，另一类用于室内的采集装置保护。

我们现在在设计时大都考虑了现场仪表设备的防雷，如安装了电源防雷、信号防雷（模拟信号、数字信号防雷），但是没有考虑室内与之相连的采集装置的防雷，往往就地装置没有损坏，与之相连的设备反而损坏，现在最常见的信号采集装置为PLC，它可以采集模拟量、开关量、数字量等，它是一种高集成精密电路设备，易遭受瞬时高低压冲击损坏，所以对于室内与信号相连的采集装置特别是PLC等也需增加电源防雷及信号防雷装置或光电隔离。

模拟信号的防损坏措施：

对自控系统要尽可能降低雷电带来的损失，就必须采取系统的、综合的防雷措施。

防雷措施主要有：

综合布线、屏蔽、接地、电源加装浪涌保护器、模拟量信号加装信号防雷器，通讯信号加装通讯防雷器、或采取模拟信号转换为光信号等措施。

综合布线：线缆的布放需分层，按照强电层、弱电层、通讯层、信号层进行分层布放；线缆间不得缠绕、交叉等。

屏蔽及接地：屏蔽线、接地线接地电阻不大于4Ω，有特殊要求的除外，压接及接地应牢固可靠，且需只一端接地。

电源加装浪涌保护器：电源防雷主要是防止雷电和其他内部过电压侵入设备造成损坏，电源防雷器能在最短时间内释放电路上因雷击感应而产生的大量脉冲能量短路泄放到大地，降低设备各接口间的电位差。随着现代防雷技术的不断进步，防雷产品特别是浪涌保护器不断推陈出新，我们需根据现场的设备的所在的防雷区和所在实际条件、管线数量、线缆是否有屏蔽层、线缆是埋地敷设还是架空敷设、线缆长度等情况，计算防雷器的容量、接地线径、防雷级数。

模拟量信号加装信号防雷器、通讯信号加装通讯防雷器、或采取模拟信号转换为光信号：信号防雷器是浪涌保护器的一种，是内部防护的重要体现，它是一种为各种电子设备、仪器仪表、通讯线路提供安全防护的电子装置。信号防雷能在最短的时间内，将被保护线路接入等电位系统中，并迅速对大地释放因雷击引起的高压脉冲能量，降低各接口间的电位差，起到保护用户设备的作用。避雷针、避雷网等能防止建筑物外部遭受直接雷击，但是通过电缆、通信线、金属管道等引入室内的感应雷电、浪涌电压所造成的破坏，则是外部防雷系统无法避免的。此防雷方式特别重要，根据现场损坏的模拟量设备情况的统计情况来看，信号引起的设备损坏占85%左右，所以信号防雷是我们工业自动化的重点。

防雷嚣的应用

说到防雷器我们还需要了解现场仪表的连接方式，一般情况下这些仪表的输出线、电源线连接到室内的PLC模块，有些连接到流量积算仪，还有些连接到采集装置。

防雷器安装时须注意， IN 表示过电压可能出现的方向， OUT应连接通往被保护设备的导线。现场仪表和采集系统处安装了模拟信号防雷器之外，还应该做好接地系统。目前我们还无法直接对抗雷击，主要是将雷电流释放到大地。所以如果接地系统电阻值高阻或者开路的话，雷电能量无法释放，依然会损坏设备。

结语：

随着电子化工业的发展，现场自动化系统越来越多的大量采用大规模集成电路和分散控制用的DSP单元，对电压的要求也越来越高，大多数设备的损坏均是直接或间接的雷击损坏。一旦有瞬间电压过高击坏信号模块或信号采集模块，会造成很大的危害，如电站的微机保护装置损害会引起保护不动作或误动作，水电站、火电站的PLC模块损坏，当需要保护时不起作业，致使相应的控制流程不能动作，造成安全事故等。因此，我们需对相关的信号仪表装置及信号采集装置进行多方面的防护，采用任何一种单一的防雷器件都有难以保证其安全，必须采取综合防护的措施，对症下药将各类可能引起雷害的因素排除，才能将雷害减少至最低限。

参考文献

1、《综合布线系统工程设计规范》—GB50311-2007

2、《建筑物防雷设计规范》—GB50057—2010

3、《建筑物信息系统防雷技术规范》—GB50343-2004