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應(yīng)用設(shè)計

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浪涌保護措施在過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

浪涌保護措施在過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

2008/10/29 11:28:00

摘要
        目前各種形式的自動化控制系統(tǒng)DCS、PLC以及現(xiàn)場總線等發(fā)展越來越成熟,它們對各行各業(yè)的滲透,給我們的工作、生產(chǎn)和生活帶來了越來越多的便利。但由此而帶來的人類對其越來越大的依賴也是令人不安的。由于無法預(yù)測的浪涌能量有著強大破壞能力,以及它出現(xiàn)的時間、位置,我們無法預(yù)知。使得我們的各種自動控制系統(tǒng)或以計算機、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,不僅帶來直接的硬件損失,還會造成數(shù)據(jù)丟失、生產(chǎn)停頓、設(shè)備誤操作等危險,甚至造成商業(yè)機會的喪失。本文初步探討了當今國際上比較流行的浪涌保護器(SPD)設(shè)計原理、品質(zhì)要求和在實際生產(chǎn)中需注意的各種問題。
關(guān)鍵詞:浪涌保護器 氣體放電管 壓敏電阻 限制電壓 本質(zhì)安全 接地

前言
         在計算機技術(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、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,以電子商務(wù)為標志的網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟不僅淹沒了各大商家、企業(yè),還已經(jīng)觸及到千家萬戶。眾所周知,PC機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展完全是依賴于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)的進步都是以犧牲其它性能為代價的。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的是其對過電壓和外來熱量的承受能力的降低。試驗證明,萬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)生的熱量都可以達到20焦耳??梢韵胂?,當能量通常達幾百焦耳,電流幅值高達上千安培的浪涌侵入時,對以集成電路為主的計算機、交換機等各種儀器設(shè)備的威脅將是何等嚴重。
        國內(nèi)對于建筑物的防雷和避雷、接地保護已有了成熟的認識和規(guī)范,但對于過程控制系統(tǒng)的電源和儀表的防護還處于起步階段,設(shè)計人員沒有規(guī)范和先例可循,廣大用戶缺乏使用經(jīng)驗,已有越來越多的用戶遭受到了程度不同地損失。而國外在這方面已經(jīng)有了近二十年的研究和使用經(jīng)驗。下面我們就結(jié)合國外在這方面的應(yīng)用經(jīng)驗談?wù)劺擞勘Wo器的一些具體應(yīng)用方案。

1.浪涌保護器應(yīng)用方案:
1.1概述:
浪涌通常是指:
       由于雷擊、供電電壓波動、靜電放電、電磁場干擾及地電位差別過大等原因引起回路突現(xiàn)過電壓、過電流的現(xiàn)象。直擊雷或感應(yīng)雷帶來的強大電磁場干擾常常是形成強大浪涌的主要原因,其電流波形的上升沿異常陡峭,形成對儀表的強大沖擊;另外地電勢的不平衡常常也會帶來各種形式的反擊電流,這種現(xiàn)象在監(jiān)視控制點比較分散的過程系統(tǒng)中比較常見,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)場控制系統(tǒng)由于其現(xiàn)場的檢測、控制點比較分散,不同的現(xiàn)場表,如變送器、流量計等通常在各自的現(xiàn)場通過管道、支架等直接或間接接地,其信號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地和防雷地,不同的接地之間難免出現(xiàn)電勢差,如果由于雷擊、短路等原因?qū)е码妱莶罴眲≡龃髸r,就會出現(xiàn)問題。
       現(xiàn)在有不少客戶常常把浪涌和干擾混為一談,干擾信號對設(shè)備的影響表現(xiàn)為一種高頻雜波,浪涌對設(shè)備的影響表現(xiàn)為物理上的摧毀或加速老化。對干擾信號的防護是采用屏蔽電纜或鎧裝電纜,而對浪涌的防護是加裝浪涌保護器,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。信號浪涌保護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)計方法的不同,會導(dǎo)致性能的極大不同。
        由于導(dǎo)致浪涌的原因很多、過程復(fù)雜及其不可預(yù)見性,使我們對于浪涌出現(xiàn)的幅值、位置、頻率及傳播方向難以進行準確計算。根據(jù)國外近二十年的研究和應(yīng)用經(jīng)驗。我們可以基本得出一些應(yīng)用規(guī)律。
實際應(yīng)用中需要對我們的系統(tǒng)實施浪涌保護時,我們主要從兩個方面來考慮,一是系統(tǒng)的信號或通訊回路部分;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)雷常常會在回路中形成非常強烈的浪涌,沖入室內(nèi)。如果大部分信號回路位于室內(nèi),如計算機網(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。對于這些通訊回路的保護采用的主要是串聯(lián)型的信號浪涌保護器,需要我們考慮到回路信號的工作電壓、負載電流、工作頻率和線纜的接頭方式。以確保其不會影響系統(tǒng)工作又、達到保護的效果,又可使工程的實施盡量簡便。 由于系統(tǒng)的信號部分承受過電壓的能力較低,因此我們需要特別注意浪涌保護器的限制電壓這一項指標,這個參數(shù)決定了浪涌保護器在泄放浪涌電流時,輸出端的電壓(限制電壓)。應(yīng)用于高度暴露環(huán)境時(如室外的變送器和室內(nèi)的I/O卡件進行通訊時),在測試波形為6KV/3KA(8/20ms復(fù)合波形)時,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器的反應(yīng)時間(Response Time),我們認為這個參數(shù)其實和殘壓是一回事,IEC標準中對殘壓(Limiting voltage)做了詳盡的介紹,一個顯然的事實就是,如果保護器的反應(yīng)時間慢,導(dǎo)致浪涌電流已經(jīng)通過,其輸出電壓(殘壓值)就高,這是肯定的;但并非可以就說,反應(yīng)時間短,其殘壓值就低,因為還涉及到產(chǎn)品設(shè)計的問題。況且一個浪涌保護器中會采用多種性能不同,反應(yīng)時間各異的器件,我們不能用反應(yīng)時間最快的某種器件來代表其整體性能。在實際應(yīng)用中,進入回路的浪涌是千差萬別的,同一種器件遇到上升時間不同的浪涌電流,其反應(yīng)時間也是不同的。我們可以肯定的認為浪涌保護器在實際工作中,每次工作時,其反應(yīng)時間都是不同的。
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。而對于各種類型的建筑物,如,智能大廈、控制電源機房等。由于其供電系統(tǒng)周圍采取了各種直擊雷保護措施,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?。
        所以在實施方案上,可以根據(jù)實際情況和預(yù)算費用部署實施。例如針對非常重要的電源用戶可以在主電源系統(tǒng)、分電源系統(tǒng)及最終用戶位置實施初級(Primary)保護,如果在初級保護中使用的產(chǎn)品其殘壓值過高,可能還需要考慮次級(Secondary)甚至還有末級保護。
        電源浪涌保護器由于其使用環(huán)境的特點,內(nèi)部設(shè)計不僅要有過流熔斷保護,還要有完善的過熱熔斷保護,以防止在承受長時間的過電壓后,過熱引起設(shè)備起火(已有國外廠家的電源浪涌保護器在使用中發(fā)生多起起火,甚至爆炸的現(xiàn)象)。這是因為大多數(shù)的電源浪涌保護器內(nèi)部都是采用氧化鋅壓敏電阻,所以北美的強制性標準UL1449 2 nd 對這一點有明確的要求。大多數(shù)浪涌保護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,標稱值為3KA或6.5KA的MOV,通過把這些小粒的MOV疊加起來使浪涌保護器的抗浪涌能力達到幾十或上百KA。這種疊加的方式由于可以大批量地在市場上購買,因此極大地降低了生產(chǎn)成本。但是,這種設(shè)計方式也給浪涌保護器帶來了無法克服的缺陷。首先,由于MOV本身非線性的特征,采用疊加的辦法無法保證其實際的抗浪涌能力能達到設(shè)計水平,誤差可能會較大。每一粒MOV的耐熱、耐壓能力不盡相同,同時,小粒的MOV由于散熱能力較差,這種設(shè)計方式使浪涌保護器故障、失效的可能性大大增加。而且無限制的疊加是不可能的。疊加的設(shè)計方法卻使得限制電壓的增加很快,比如,測試電流(8/20ms復(fù)合波形)從3KA增加到10KA時,限制電壓卻會線性地由800V左右增加到2000V。這么高的限制電壓常常會導(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40mm、3端子大塊MOV,這種大塊的MOV雖然在設(shè)計和生產(chǎn)上有相當?shù)碾y度,卻可以保證設(shè)備的浪涌通過能力達到設(shè)計標準(一片提供90KA的浪涌通過能力),同時其散熱能力也大大提高了,并且限制電壓這一重要指標也得到了極大的改善,測試表現(xiàn)是一條平緩曲線,例如測試電流(8/20ms復(fù)合波形)從3KA上升到10KA時,限制電壓僅從800V左右上升到1000V左右。所以如果采用這種MOV,在實際中使用浪涌保護器時,就不需要設(shè)置多級保護,雖然性能不錯,但缺陷是成本高。

2. 浪涌保護器在本安領(lǐng)域中的應(yīng)用
        在過程控制領(lǐng)域中,工廠常常有DCS,ESD,F(xiàn)&G等系統(tǒng),這些系統(tǒng)卻時刻處于附近的電源故障或雷擊造成的浪涌和瞬間過電<

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