浪涌保护措施在过程控制系统中的应用_浪涌保护器_气体放电管

浪涌保护措施在过程控制系统中的应用

2008/10/29 11:28:00

摘要
目前各种形式的自动化控制系统DCS、PLC以及现场总线等发展越来越成熟，它们对各行各业的渗透，给我们的工作、生产和生活带来了越来越多的便利。但由此而带来的人类对其越来越大的依赖也是令人不安的。由于无法预测的浪涌能量有着强大破坏能力，以及它出现的时间、位置，我们无法预知。使得我们的各种自动控制系统或以计算机、网络为基础的各种控制系统处于它的直接威胁之下。系统的瘫痪，不仅带来直接的硬件损失，还会造成数据丢失、生产停顿、设备误操作等危险，甚至造成商业机会的丧失。本文初步探讨了当今国际上比较流行的浪涌保护器（SPD）设计原理、品质要求和在实际生产中需注意的各种问题。
关键词：浪涌保护器气体放电管压敏电阻限制电压本质安全接地

前言
在计算机技术和网络技术高速发展的今天，尤其是分布式技术的高速发展和Internet和Intranet的广泛应用，以PC机、HUB、路由器和各种服务器为硬件基础的各种网络、网站以数十倍的数量增长，以电子商务为标志的网络经济不仅淹没了各大商家、企业，还已经触及到千家万户。众所周知，PC机和网络技术的高速发展完全是依赖于IC技术的高速发展，今天，600MHz、0.18微米工艺技术采用了铝电导层和低容抗的氟氧化硅，其工作电压最低在1.1V和1.6V之间，不仅可以在单位面积的集成更多的晶体管，提高运算速度，提高工频，还可以大大降低系统的能耗。然而任何一种技术的进步都是以牺牲其它性能为代价的。IC技术的发展也不例外，其集成度的提高和能耗的降低带来的是其对过电压和外来热量的承受能力的降低。试验证明，万分之一焦耳的热量就足以损坏集成电路中的晶体管，而一只钢笔掉在桌面产生的热量都可以达到20焦耳。可以想象，当能量通常达几百焦耳，电流幅值高达上千安培的浪涌侵入时，对以集成电路为主的计算机、交换机等各种仪器设备的威胁将是何等严重。
国内对于建筑物的防雷和避雷、接地保护已有了成熟的认识和规范，但对于过程控制系统的电源和仪表的防护还处于起步阶段，设计人员没有规范和先例可循，广大用户缺乏使用经验，已有越来越多的用户遭受到了程度不同地损失。而国外在这方面已经有了近二十年的研究和使用经验。下面我们就结合国外在这方面的应用经验谈谈浪涌保护器的一些具体应用方案。

1.浪涌保护器应用方案：
1.1概述：
浪涌通常是指：
由于雷击、供电电压波动、静电放电、电磁场干扰及地电位差别过大等原因引起回路突现过电压、过电流的现象。直击雷或感应雷带来的强大电磁场干扰常常是形成强大浪涌的主要原因，其电流波形的上升沿异常陡峭，形成对仪表的强大冲击；另外地电势的不平衡常常也会带来各种形式的反击电流，这种现象在监视控制点比较分散的过程系统中比较常见，如下图中所示的FF总线系统。

此主题相关图片如下：

        现场控制系统由于其现场的检测、控制点比较分散，不同的现场表，如变送器、流量计等通常在各自的现场通过管道、支架等直接或间接接地，其信号工作回路到控制室接室内的仪表地，控制室端可能还存在电气保护地和防雷地，不同的接地之间难免出现电势差，如果由于雷击、短路等原因导致电势差急剧增大时，就会出现问题。
       现在有不少客户常常把浪涌和干扰混为一谈，干扰信号对设备的影响表现为一种高频杂波，浪涌对设备的影响表现为物理上的摧毁或加速老化。对干扰信号的防护是采用屏蔽电缆或铠装电缆，而对浪涌的防护是加装浪涌保护器，二者虽非完全互不相干，但所起的作用却是大相径庭。浪涌保护器在工作原理基本上都是采用等电位的原理，提前将浪涌电流泄放入地。信号浪涌保护器通常采用气体放电管（GDT）、热敏电阻、浪涌二极管和齐纳二极管。电源浪涌保护器主要是采用压敏电阻（MOV）、金属间隙等。元器件质量和设计方法的不同，会导致性能的极大不同。
        由于导致浪涌的原因很多、过程复杂及其不可预见性，使我们对于浪涌出现的幅值、位置、频率及传播方向难以进行准确计算。根据国外近二十年的研究和应用经验。我们可以基本得出一些应用规律。
实际应用中需要对我们的系统实施浪涌保护时，我们主要从两个方面来考虑，一是系统的信号或通讯回路部分；二是系统的供电电源部分。
1.2 应用方案：
1.2.1信号回路：
        如果通讯线缆通向室外，如，PLC，DCS等控制回路。室外发生的直击雷或感应雷常常会在回路中形成非常强烈的浪涌，冲入室内。如果大部分信号回路位于室内，如计算机网络。网络线路上出现的浪涌主要是由于静电放电或电磁波的侵入而造成的，越是高频的电磁波，其穿透能力越强。对于这些通讯回路的保护采用的主要是串联型的信号浪涌保护器，需要我们考虑到回路信号的工作电压、负载电流、工作频率和线缆的接头方式。以确保其不会影响系统工作又、达到保护的效果，又可使工程的实施尽量简便。由于系统的信号部分承受过电压的能力较低，因此我们需要特别注意浪涌保护器的限制电压这一项指标，这个参数决定了浪涌保护器在泄放浪涌电流时，输出端的电压（限制电压）。应用于高度暴露环境时（如室外的变送器和室内的I/O卡件进行通讯时），在测试波形为6KV/3KA（8/20ms复合波形）时，限制电压最优应低于2.5倍的正常工作电压。
另外常常有厂家提到浪涌保护器的反应时间(Response Time)，我们认为这个参数其实和残压是一回事，IEC标准中对残压（Limiting voltage）做了详尽的介绍，一个显然的事实就是，如果保护器的反应时间慢，导致浪涌电流已经通过，其输出电压（残压值）就高，这是肯定的；但并非可以就说，反应时间短，其残压值就低，因为还涉及到产品设计的问题。况且一个浪涌保护器中会采用多种性能不同，反应时间各异的器件，我们不能用反应时间最快的某种器件来代表其整体性能。在实际应用中，进入回路的浪涌是千差万别的，同一种器件遇到上升时间不同的浪涌电流，其反应时间也是不同的。我们可以肯定的认为浪涌保护器在实际工作中，每次工作时，其反应时间都是不同的。
1.2.2 电源回路：
        根据应用范围不同，其差别很大。对于那些高度暴露的环境，如GSM基站、室外微波通讯设施，由于处于直击雷的威胁之下。而对于各种类型的建筑物，如，智能大厦、控制电源机房等。由于其供电系统周围采取了各种直击雷保护措施，如避雷针、接地网，这些设施已经泄放了绝大部分雷击电流能量。因而由于直击雷形成的浪涌威胁已经大大降低。进入室内配电系统后，由于存在回路的分流和衰减作用，浪涌常常可以降到更低的范围。
        所以在实施方案上，可以根据实际情况和预算费用部署实施。例如针对非常重要的电源用户可以在主电源系统、分电源系统及最终用户位置实施初级(Primary)保护，如果在初级保护中使用的产品其残压值过高，可能还需要考虑次级(Secondary)甚至还有末级保护。
        电源浪涌保护器由于其使用环境的特点，内部设计不仅要有过流熔断保护，还要有完善的过热熔断保护，以防止在承受长时间的过电压后，过热引起设备起火（已有国外厂家的电源浪涌保护器在使用中发生多起起火，甚至爆炸的现象）。这是因为大多数的电源浪涌保护器内部都是采用氧化锌压敏电阻，所以北美的强制性标准UL1449 2 nd 对这一点有明确的要求。大多数浪涌保护器的厂家都是使用普通MOV厂家提供的通用型的片状，16mm直径，标称值为3KA或6.5KA的MOV，通过把这些小粒的MOV叠加起来使浪涌保护器的抗浪涌能力达到几十或上百KA。这种叠加的方式由于可以大批量地在市场上购买，因此极大地降低了生产成本。但是，这种设计方式也给浪涌保护器带来了无法克服的缺陷。首先，由于MOV本身非线性的特征，采用叠加的办法无法保证其实际的抗浪涌能力能达到设计水平，误差可能会较大。每一粒MOV的耐热、耐压能力不尽相同，同时，小粒的MOV由于散热能力较差，这种设计方式使浪涌保护器故障、失效的可能性大大增加。而且无限制的叠加是不可能的。叠加的设计方法却使得限制电压的增加很快，比如，测试电流(8/20ms复合波形)从3KA增加到10KA时，限制电压却会线性地由800V左右增加到2000V。这么高的限制电压常常会导致我们的配电设施、用电设备更快地老化。如果采用直径达40mm、3端子大块MOV，这种大块的MOV虽然在设计和生产上有相当的难度，却可以保证设备的浪涌通过能力达到设计标准（一片提供90KA的浪涌通过能力），同时其散热能力也大大提高了，并且限制电压这一重要指标也得到了极大的改善，测试表现是一条平缓曲线，例如测试电流(8/20ms复合波形)从3KA上升到10KA时，限制电压仅从800V左右上升到1000V左右。所以如果采用这种MOV，在实际中使用浪涌保护器时，就不需要设置多级保护，虽然性能不错，但缺陷是成本高。

2. 浪涌保护器在本安领域中的应用
在过程控制领域中，工厂常常有DCS，ESD，F&G等系统，这些系统却时刻处于附近的电源故障或雷击造成的浪涌和瞬间过电<