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浪涌保護措施在過程控制系統中的應用

2008/10/29 11:28:00

摘要
目前各種形式的自動化控制系統DCS、PLC以及現場總線等發展越來越成熟，它們對各行各業的滲透，給我們的工作、生產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。由于無法預測的浪涌能量有著強大破壞能力，以及它出現的時間、位置，我們無法預知。使得我們的各種自動控制系統或以計算機、網絡為基礎的各種控制系統處于它的直接威脅之下。系統的癱瘓，不僅帶來直接的硬件損失，還會造成數據丟失、生產停頓、設備誤操作等危險，甚至造成商業機會的喪失。本文初步探討了當今國際上比較流行的浪涌保護器（SPD）設計原理、品質要求和在實際生產中需注意的各種問題。
關鍵詞：浪涌保護器氣體放電管壓敏電阻限制電壓本質安全接地

前言
在計算機技術和網絡技術高速發展的今天，尤其是分布式技術的高速發展和Internet和Intranet的廣泛應用，以PC機、HUB、路由器和各種服務器為硬件基礎的各種網絡、網站以數十倍的數量增長，以電子商務為標志的網絡經濟不僅淹沒了各大商家、企業，還已經觸及到千家萬戶。眾所周知，PC機和網絡技術的高速發展完全是依賴于IC技術的高速發展，今天，600MHz、0.18微米工藝技術采用了鋁電導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的能耗。然而任何一種技術的進步都是以犧牲其它性能為代價的。IC技術的發展也不例外，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生的熱量都可以達到20焦耳。可以想象，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備的威脅將是何等嚴重。
國內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范，但對于過程控制系統的電源和儀表的防護還處于起步階段，設計人員沒有規范和先例可循，廣大用戶缺乏使用經驗，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有了近二十年的研究和使用經驗。下面我們就結合國外在這方面的應用經驗談談浪涌保護器的一些具體應用方案。

1.浪涌保護器應用方案：
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過電壓、過電流的現象。直擊雷或感應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，這種現象在監視控制點比較分散的過程系統中比較常見，如下圖中所示的FF總線系統。

此主題相關圖片如下：

        現場控制系統由于其現場的檢測、控制點比較分散，不同的現場表，如變送器、流量計等通常在各自的現場通過管道、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電勢差，如果由于雷擊、短路等原因導致電勢差急劇增大時，就會出現問題。
       現在有不少客戶常常把浪涌和干擾混為一談，干擾信號對設備的影響表現為一種高頻雜波，浪涌對設備的影響表現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。元器件質量和設計方法的不同，會導致性能的極大不同。
        由于導致浪涌的原因很多、過程復雜及其不可預見性，使我們對于浪涌出現的幅值、位置、頻率及傳播方向難以進行準確計算。根據國外近二十年的研究和應用經驗。我們可以基本得出一些應用規律。
實際應用中需要對我們的系統實施浪涌保護時，我們主要從兩個方面來考慮，一是系統的信號或通訊回路部分；二是系統的供電電源部分。
1.2 應用方案：
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。室外發生的直擊雷或感應雷常常會在回路中形成非常強烈的浪涌，沖入室內。如果大部分信號回路位于室內，如計算機網絡。網絡線路上出現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）。應用于高度暴露環境時（如室外的變送器和室內的I/O卡件進行通訊時），在測試波形為6KV/3KA（8/20ms復合波形）時，限制電壓最優應低于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時間(Response Time)，我們認為這個參數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，如果保護器的反應時間慢，導致浪涌電流已經通過，其輸出電壓（殘壓值）就高，這是肯定的；但并非可以就說，反應時間短，其殘壓值就低，因為還涉及到產品設計的問題。況且一個浪涌保護器中會采用多種性能不同，反應時間各異的器件，我們不能用反應時間最快的某種器件來代表其整體性能。在實際應用中，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，其反應時間都是不同的。
1.2.2 電源回路：
        根據應用范圍不同，其差別很大。對于那些高度暴露的環境，如GSM基站、室外微波通訊設施，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。由于其供電系統周圍采取了各種直擊雷保護措施，如避雷針、接地網，這些設施已經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大大降低。進入室內配電系統后，由于存在回路的分流和衰減作用，浪涌常常可以降到更低的范圍。
        所以在實施方案上，可以根據實際情況和預算費用部署實施。例如針對非常重要的電源用戶可以在主電源系統、分電源系統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境的特點，內部設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，過熱引起設備起火（已有國外廠家的電源浪涌保護器在使用中發生多起起火，甚至爆炸的現象）。這是因為大多數的電源浪涌保護器內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成本。但是，這種設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。疊加的設計方法卻使得限制電壓的增加很快，比如，測試電流(8/20ms復合波形)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致我們的配電設施、用電設備更快地老化。如果采用直徑達40mm、3端子大塊MOV，這種大塊的MOV雖然在設計和生產上有相當的難度，卻可以保證設備的浪涌通過能力達到設計標準（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，測試表現是一條平緩曲線，例如測試電流(8/20ms復合波形)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域中的應用
在過程控制領域中，工廠常常有DCS，ESD，F&G等系統，這些系統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<