浪涌保護(hù)措施在過(guò)程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要
目前各種形式的自動(dòng)化控制系統(tǒng)DCS、PLC以及現(xiàn)場(chǎng)總線等發(fā)展越來(lái)越成熟,它們對(duì)各行各業(yè)的滲透,給我們的工作、生產(chǎn)和生活帶來(lái)了越來(lái)越多的便利。但由此而帶來(lái)的人類(lèi)對(duì)其越來(lái)越大的依賴(lài)也是令人不安的。由于無(wú)法預(yù)測(cè)的浪涌能量有著強(qiáng)大破壞能力,以及它出現(xiàn)的時(shí)間、位置,我們無(wú)法預(yù)知。使得我們的各種自動(dòng)控制系統(tǒng)或以計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的各種控制系統(tǒng)處于它的直接威脅之下。系統(tǒng)的癱瘓,不僅帶來(lái)直接的硬件損失,還會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失、生產(chǎn)停頓、設(shè)備誤操作等危險(xiǎn),甚至造成商業(yè)機(jī)會(huì)的喪失。本文初步探討了當(dāng)今國(guó)際上比較流行的浪涌保護(hù)器(SPD)設(shè)計(jì)原理、品質(zhì)要求和在實(shí)際生產(chǎn)中需注意的各種問(wèn)題。
關(guān)鍵詞:浪涌保護(hù)器 氣體放電管 壓敏電阻 限制電壓 本質(zhì)安全 接地
前言
在計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的今天,尤其是分布式技術(shù)的高速發(fā)展和Internet和Intranet的廣泛應(yīng)用,以PC機(jī)、HUB、路由器和各種服務(wù)器為硬件基礎(chǔ)的各種網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)站以數(shù)十倍的數(shù)量增長(zhǎng),以電子商務(wù)為標(biāo)志的網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)不僅淹沒(méi)了各大商家、企業(yè),還已經(jīng)觸及到千家萬(wàn)戶(hù)。眾所周知,PC機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展完全是依賴(lài)于IC技術(shù)的高速發(fā)展,今天,600MHz、0.18微米工藝技術(shù)采用了鋁電導(dǎo)層和低容抗的氟氧化硅,其工作電壓最低在1.1V和1.6V之間,不僅可以在單位面積的集成更多的晶體管,提高運(yùn)算速度,提高工頻,還可以大大降低系統(tǒng)的能耗。然而任何一種技術(shù)的進(jìn)步都是以犧牲其它性能為代價(jià)的。IC技術(shù)的發(fā)展也不例外,其集成度的提高和能耗的降低帶來(lái)的是其對(duì)過(guò)電壓和外來(lái)熱量的承受能力的降低。試驗(yàn)證明,萬(wàn)分之一焦耳的熱量就足以損壞集成電路中的晶體管,而一只鋼筆掉在桌面產(chǎn)生的熱量都可以達(dá)到20焦耳??梢韵胂?,當(dāng)能量通常達(dá)幾百焦耳,電流幅值高達(dá)上千安培的浪涌侵入時(shí),對(duì)以集成電路為主的計(jì)算機(jī)、交換機(jī)等各種儀器設(shè)備的威脅將是何等嚴(yán)重。
國(guó)內(nèi)對(duì)于建筑物的防雷和避雷、接地保護(hù)已有了成熟的認(rèn)識(shí)和規(guī)范,但對(duì)于過(guò)程控制系統(tǒng)的電源和儀表的防護(hù)還處于起步階段,設(shè)計(jì)人員沒(méi)有規(guī)范和先例可循,廣大用戶(hù)缺乏使用經(jīng)驗(yàn),已有越來(lái)越多的用戶(hù)遭受到了程度不同地?fù)p失。而國(guó)外在這方面已經(jīng)有了近二十年的研究和使用經(jīng)驗(yàn)。下面我們就結(jié)合國(guó)外在這方面的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)談?wù)劺擞勘Wo(hù)器的一些具體應(yīng)用方案。
1.浪涌保護(hù)器應(yīng)用方案:
1.1概述:
浪涌通常是指:
由于雷擊、供電電壓波動(dòng)、靜電放電、電磁場(chǎng)干擾及地電位差別過(guò)大等原因引起回路突現(xiàn)過(guò)電壓、過(guò)電流的現(xiàn)象。直擊雷或感應(yīng)雷帶來(lái)的強(qiáng)大電磁場(chǎng)干擾常常是形成強(qiáng)大浪涌的主要原因,其電流波形的上升沿異常陡峭,形成對(duì)儀表的強(qiáng)大沖擊;另外地電勢(shì)的不平衡常常也會(huì)帶來(lái)各種形式的反擊電流,這種現(xiàn)象在監(jiān)視控制點(diǎn)比較分散的過(guò)程系統(tǒng)中比較常見(jiàn),如下圖中所示的FF總線系統(tǒng)。
此主題相關(guān)圖片如下:
現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)由于其現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)、控制點(diǎn)比較分散,不同的現(xiàn)場(chǎng)表,如變送器、流量計(jì)等通常在各自的現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)管道、支架等直接或間接接地,其信號(hào)工作回路到控制室接室內(nèi)的儀表地,控制室端可能還存在電氣保護(hù)地和防雷地,不同的接地之間難免出現(xiàn)電勢(shì)差,如果由于雷擊、短路等原因?qū)е码妱?shì)差急劇增大時(shí),就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。
現(xiàn)在有不少客戶(hù)常常把浪涌和干擾混為一談,干擾信號(hào)對(duì)設(shè)備的影響表現(xiàn)為一種高頻雜波,浪涌對(duì)設(shè)備的影響表現(xiàn)為物理上的摧毀或加速老化。對(duì)干擾信號(hào)的防護(hù)是采用屏蔽電纜或鎧裝電纜,而對(duì)浪涌的防護(hù)是加裝浪涌保護(hù)器,二者雖非完全互不相干,但所起的作用卻是大相徑庭。浪涌保護(hù)器在工作原理基本上都是采用等電位的原理,提前將浪涌電流泄放入地。信號(hào)浪涌保護(hù)器通常采用氣體放電管(GDT)、熱敏電阻、浪涌二極管和齊納二極管。電源浪涌保護(hù)器主要是采用壓敏電阻(MOV)、金屬間隙等。元器件質(zhì)量和設(shè)計(jì)方法的不同,會(huì)導(dǎo)致性能的極大不同。
由于導(dǎo)致浪涌的原因很多、過(guò)程復(fù)雜及其不可預(yù)見(jiàn)性,使我們對(duì)于浪涌出現(xiàn)的幅值、位置、頻率及傳播方向難以進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。根據(jù)國(guó)外近二十年的研究和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。我們可以基本得出一些應(yīng)用規(guī)律。
實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)我們的系統(tǒng)實(shí)施浪涌保護(hù)時(shí),我們主要從兩個(gè)方面來(lái)考慮,一是系統(tǒng)的信號(hào)或通訊回路部分;二是系統(tǒng)的供電電源部分。
1.2 應(yīng)用方案:
1.2.1信號(hào)回路:
如果通訊線纜通向室外,如,PLC,DCS等控制回路。室外發(fā)生的直擊雷或感應(yīng)雷常常會(huì)在回路中形成非常強(qiáng)烈的浪涌,沖入室內(nèi)。如果大部分信號(hào)回路位于室內(nèi),如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)線路上出現(xiàn)的浪涌主要是由于靜電放電或電磁波的侵入而造成的,越是高頻的電磁波,其穿透能力越強(qiáng)。對(duì)于這些通訊回路的保護(hù)采用的主要是串聯(lián)型的信號(hào)浪涌保護(hù)器,需要我們考慮到回路信號(hào)的工作電壓、負(fù)載電流、工作頻率和線纜的接頭方式。以確保其不會(huì)影響系統(tǒng)工作又、達(dá)到保護(hù)的效果,又可使工程的實(shí)施盡量簡(jiǎn)便。 由于系統(tǒng)的信號(hào)部分承受過(guò)電壓的能力較低,因此我們需要特別注意浪涌保護(hù)器的限制電壓這一項(xiàng)指標(biāo),這個(gè)參數(shù)決定了浪涌保護(hù)器在泄放浪涌電流時(shí),輸出端的電壓(限制電壓)。應(yīng)用于高度暴露環(huán)境時(shí)(如室外的變送器和室內(nèi)的I/O卡件進(jìn)行通訊時(shí)),在測(cè)試波形為6KV/3KA(8/20ms復(fù)合波形)時(shí),限制電壓最優(yōu)應(yīng)低于2.5倍的正常工作電壓。
另外常常有廠家提到浪涌保護(hù)器的反應(yīng)時(shí)間(Response Time),我們認(rèn)為這個(gè)參數(shù)其實(shí)和殘壓是一回事,IEC標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)殘壓(Limiting voltage)做了詳盡的介紹,一個(gè)顯然的事實(shí)就是,如果保護(hù)器的反應(yīng)時(shí)間慢,導(dǎo)致浪涌電流已經(jīng)通過(guò),其輸出電壓(殘壓值)就高,這是肯定的;但并非可以就說(shuō),反應(yīng)時(shí)間短,其殘壓值就低,因?yàn)檫€涉及到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的問(wèn)題。況且一個(gè)浪涌保護(hù)器中會(huì)采用多種性能不同,反應(yīng)時(shí)間各異的器件,我們不能用反應(yīng)時(shí)間最快的某種器件來(lái)代表其整體性能。在實(shí)際應(yīng)用中,進(jìn)入回路的浪涌是千差萬(wàn)別的,同一種器件遇到上升時(shí)間不同的浪涌電流,其反應(yīng)時(shí)間也是不同的。我們可以肯定的認(rèn)為浪涌保護(hù)器在實(shí)際工作中,每次工作時(shí),其反應(yīng)時(shí)間都是不同的。
1.2.2 電源回路:
根據(jù)應(yīng)用范圍不同,其差別很大。對(duì)于那些高度暴露的環(huán)境,如GSM基站、室外微波通訊設(shè)施,由于處于直擊雷的威脅之下。而對(duì)于各種類(lèi)型的建筑物,如,智能大廈、控制電源機(jī)房等。由于其供電系統(tǒng)周?chē)扇×烁鞣N直擊雷保護(hù)措施,如避雷針、接地網(wǎng),這些設(shè)施已經(jīng)泄放了絕大部分雷擊電流能量。因而由于直擊雷形成的浪涌威脅已經(jīng)大大降低。進(jìn)入室內(nèi)配電系統(tǒng)后,由于存在回路的分流和衰減作用,浪涌常??梢越档礁偷姆秶?br />
所以在實(shí)施方案上,可以根據(jù)實(shí)際情況和預(yù)算費(fèi)用部署實(shí)施。例如針對(duì)非常重要的電源用戶(hù)可以在主電源系統(tǒng)、分電源系統(tǒng)及最終用戶(hù)位置實(shí)施初級(jí)(Primary)保護(hù),如果在初級(jí)保護(hù)中使用的產(chǎn)品其殘壓值過(guò)高,可能還需要考慮次級(jí)(Secondary)甚至還有末級(jí)保護(hù)。
電源浪涌保護(hù)器由于其使用環(huán)境的特點(diǎn),內(nèi)部設(shè)計(jì)不僅要有過(guò)流熔斷保護(hù),還要有完善的過(guò)熱熔斷保護(hù),以防止在承受長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)電壓后,過(guò)熱引起設(shè)備起火(已有國(guó)外廠家的電源浪涌保護(hù)器在使用中發(fā)生多起起火,甚至爆炸的現(xiàn)象)。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)的電源浪涌保護(hù)器內(nèi)部都是采用氧化鋅壓敏電阻,所以北美的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)UL1449 2 nd 對(duì)這一點(diǎn)有明確的要求。大多數(shù)浪涌保護(hù)器的廠家都是使用普通MOV廠家提供的通用型的片狀,16mm直徑,標(biāo)稱(chēng)值為3KA或6.5KA的MOV,通過(guò)把這些小粒的MOV疊加起來(lái)使浪涌保護(hù)器的抗浪涌能力達(dá)到幾十或上百KA。這種疊加的方式由于可以大批量地在市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi),因此極大地降低了生產(chǎn)成本。但是,這種設(shè)計(jì)方式也給浪涌保護(hù)器帶來(lái)了無(wú)法克服的缺陷。首先,由于MOV本身非線性的特征,采用疊加的辦法無(wú)法保證其實(shí)際的抗浪涌能力能達(dá)到設(shè)計(jì)水平,誤差可能會(huì)較大。每一粒MOV的耐熱、耐壓能力不盡相同,同時(shí),小粒的MOV由于散熱能力較差,這種設(shè)計(jì)方式使浪涌保護(hù)器故障、失效的可能性大大增加。而且無(wú)限制的疊加是不可能的。疊加的設(shè)計(jì)方法卻使得限制電壓的增加很快,比如,測(cè)試電流(8/20ms復(fù)合波形)從3KA增加到10KA時(shí),限制電壓卻會(huì)線性地由800V左右增加到2000V。這么高的限制電壓常常會(huì)導(dǎo)致我們的配電設(shè)施、用電設(shè)備更快地老化。如果采用直徑達(dá)40mm、3端子大塊MOV,這種大塊的MOV雖然在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)上有相當(dāng)?shù)碾y度,卻可以保證設(shè)備的浪涌通過(guò)能力達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(一片提供90KA的浪涌通過(guò)能力),同時(shí)其散熱能力也大大提高了,并且限制電壓這一重要指標(biāo)也得到了極大的改善,測(cè)試表現(xiàn)是一條平緩曲線,例如測(cè)試電流(8/20ms復(fù)合波形)從3KA上升到10KA時(shí),限制電壓僅從800V左右上升到1000V左右。所以如果采用這種MOV,在實(shí)際中使用浪涌保護(hù)器時(shí),就不需要設(shè)置多級(jí)保護(hù),雖然性能不錯(cuò),但缺陷是成本高。
2. 浪涌保護(hù)器在本安領(lǐng)域中的應(yīng)用
在過(guò)程控制領(lǐng)域中,工廠常常有DCS,ESD,F(xiàn)&G等系統(tǒng),這些系統(tǒng)卻時(shí)刻處于附近的電源故障或雷擊造成的浪涌和瞬間過(guò)電<
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