靜電放電(ESD)和電快速瞬變脈沖群(EFT)對儀器儀表系統(tǒng)會產(chǎn)生不同程度的危害。靜電放電在5~200MHz的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的射頻輻射。此輻射能量的峰值經(jīng)常出現(xiàn)在35MHz~45MHz之間發(fā)生自激振蕩。許多信息傳輸電纜的諧振頻率也通常在這個頻率范圍內(nèi),結(jié)果電纜中便串入了大量的靜電放電輻射能量。電快速瞬變脈沖群也產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)的輻射發(fā)射,從而耦合到電纜和機(jī)殼線路。當(dāng)電纜暴露在4~8kV靜電放電環(huán)境中時,信息傳輸電纜終端負(fù)載上可以測量到的感應(yīng)電壓可達(dá)到600V,這個電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了典型數(shù)字儀器儀表的門限電壓值0.4V,典型的感應(yīng)脈沖持續(xù)時間大約為400納秒。
儀器儀表在使用中經(jīng)常會遇到意外的電壓瞬變和浪涌,從而導(dǎo)致電子設(shè)備的損壞,損壞的原因是儀器儀表中的半導(dǎo)體器件(包括二極管、晶體管、可控硅和集成電路等)被燒毀或擊穿。據(jù)統(tǒng)計儀器儀表的故障有75%是由于瞬變和浪涌造成的。電壓的瞬變和浪涌無處不在,電網(wǎng)、雷擊、爆破,就連人在地毯上行走都會產(chǎn)生上萬伏的靜電感應(yīng)電壓,這些,都是儀器儀表的隱形致命殺手。因此,為了提高儀器儀表的可靠性和人體自身的安全性,必須對電壓瞬變和浪涌采取防護(hù)措施。
1.防雷端口
根據(jù)儀器儀表應(yīng)用的工程實(shí)踐,儀器儀表受雷擊可大致分為直擊雷、感應(yīng)雷和傳導(dǎo)雷。但不論以哪一種形式到達(dá)設(shè)備都可歸納為從以下4個部位侵入的雷電浪涌,在此把這些部位稱為防雷端口,并以儀器儀表舉例說明。
1.1外殼端口
比如說,我們可以把任何一個大的或小的儀器儀表或系統(tǒng)視為一個整體的外殼,如傳感器、傳輸線、信號中繼、現(xiàn)場儀表、dcs系統(tǒng)等,它們都有可能*暴露在環(huán)境中受到直接雷擊,造成設(shè)備損壞。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,當(dāng)設(shè)備外殼受到4kv的雷電靜電放電時,都會影響儀器儀表或系統(tǒng)的正常運(yùn)行。例如放置于室外的傳感器端子箱有可能受到雷電接觸放電;位于機(jī)房內(nèi)的DCS機(jī)柜有可能受到大樓立柱泄流時的空氣放電。
1.2信號線端口(含天饋線、數(shù)據(jù)線、控制線等)
在控制系統(tǒng)中,為了實(shí)現(xiàn)信號或信息的傳遞總要有與外界連接的部位,如過程控制系統(tǒng)的信號交接端的總配線架、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的終端、微波設(shè)備到天線的饋線口等等,那么這些從外界接收信號或發(fā)射信號出去的接口都有可能受到雷電浪涌沖擊。因?yàn)閺臉峭庑盘柖丝谶M(jìn)來的浪涌往往通過長電纜,所以采用10/700μs波形,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定線到線間浪涌電壓為0.5kV,線到地間浪涌電壓為1kV。而樓內(nèi)儀器儀表之間傳遞信號的端口受到浪涌沖擊相當(dāng)于電源線上的浪涌沖擊,采用1.2/50(8/20)μs組合波,線到線、線到地浪涌電壓限值不變。一旦超過限值,信號端口和端口后的設(shè)備有可能遭受損壞。
1.3電源端口
電源端口是分布廣泛也容易感應(yīng)或傳導(dǎo)雷電浪的部位,從配電箱到電源插座這些電源端口可以處在任何位置。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在1.2/50(8/20)μs波形下線與線之間浪涌電壓限值為0.5kV,線到地浪涌電壓限制為1kv。但這里的浪涌電壓是指明工作電壓為220V交流進(jìn)入的,如果工作電壓較低則不能以此為標(biāo)準(zhǔn),電源線上受較小的浪涌沖擊不一定立即損壞設(shè)備,但至少壽命有影響。
1.4接地端口
盡管在標(biāo)準(zhǔn)中沒有專門提到接地端口的指標(biāo),實(shí)際上信息技術(shù)設(shè)備地端口是非常重要的。在雷電發(fā)生時接地端口有可能受到地電位反擊、地電位升高影響,或者由于接地不良、接地不當(dāng)使地阻過大達(dá)不到參考電位要求使設(shè)備損壞。接地端口不僅對接地電阻/接地線極(長度、直徑、材料)、接地方式、地網(wǎng)的設(shè)置等有要求,而且還與設(shè)備的電特性、工作頻段、工作環(huán)境等有直接的關(guān)系。同時從接地端還有可能反擊到直流電源端口損壞直流工作電壓的設(shè)備。綜上所述,信息技術(shù)設(shè)備的防雷可以考慮從四個關(guān)鍵的端口入手
2.儀器儀表的端口保護(hù)
2.1外殼端口
儀器儀表的外殼端口保護(hù)不僅僅是建筑物外殼,也應(yīng)當(dāng)包括某個設(shè)備的外殼或者某套系統(tǒng)的外殼,比如說機(jī)柜、計算機(jī)室等。按照IEC1312—1《雷電電磁脈沖的防護(hù)》*部分(一般原則)的適用范圍為:建筑物內(nèi)或建筑物頂部儀器儀表系統(tǒng)有效的雷電防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、檢查、維護(hù)。其保護(hù)方法主要有三種:接地、屏蔽及等電位連接。
2.1.1接地
IEC1024—1已經(jīng)闡述了建筑物防雷接地的方法,主要通過建筑物地下網(wǎng)狀接地系統(tǒng)達(dá)到要求。儀器儀表系統(tǒng)防雷時還要求對相鄰兩建筑物之間通過的電力線,通信電纜均必須與建筑物接地系統(tǒng)連接起來(不能形成回路),以利用多條并行路徑減少電纜中的電流。
儀器儀表系統(tǒng)的接地更應(yīng)當(dāng)注意系統(tǒng)的安全性和防止其它系統(tǒng)干擾。一般來說工作狀態(tài)下儀器儀表系統(tǒng)接地不能直接和防雷地線相連,否則將有雜散電流進(jìn)入儀器儀表系統(tǒng)引起信號干擾。正確的連接方式應(yīng)當(dāng)在地下將兩個不同地網(wǎng),通過放電器低壓避雷器連接,使其在雷擊狀態(tài)下自動連通。
2.1.2屏蔽
從理論上考慮,屏蔽對儀器儀表外殼防雷是非常有效的。但從經(jīng)濟(jì)合理角度來看,還是應(yīng)當(dāng)從設(shè)備元器件抗擾度及對屏蔽效能的要求來選擇不同的屏蔽方法。線路屏蔽,即在儀器儀表系統(tǒng)中采用屏蔽電纜已被廣泛應(yīng)用。但對于設(shè)備或系統(tǒng)的屏蔽需要視具體情況而定。IEC提出了采用建筑物鋼筋連到金屬框架的措施舉例。