2023年新型防雷及电涌保护在控制系统与设备中的应用.doc

新型防雷及电涌保护在控制系统与设备中的应用   鲁思慧   1、概述 如今对于雷击电过电及浪涌过电压危害的保护，必须对财产〔系统、设备、建筑物〕等和个人，即包含对楼宇智能自动化控制系统自动化及网络系统的保护。这是因为近年来，现代电子技术的不断开展，各种高、精、尖的电子设备不断推广和普及应用，自动化控制系统与网络系统广泛应用于各行各业中，由于这些系统的电子设备内部结构的高度集成化，耐过电压、耐过电流的水平极低，避雷针对这些电子设备的保护收效甚微，因而极易遭受雷电流的冲击而损坏，轻者使网络终端接口设备损坏、通信中断、各种信息无法传递；重者使主机损坏，致使系统与网络瘫痪，工作无法进行。又如闭路电视监控系统在建筑物内的应用越来越多，由于建筑物内的电气环境比拟复杂，容易形成各种工扰源，如果未采取恰当的防范措施，各种干会通过传输线缆进入闭路电视监控系统，造成图象质量下降、系统控制失灵、运行不稳定等故障。 因此，为了使系统正常运作，防止雷击带来的沉重损失，有必要对控制系统自动化及网络系统及电子系备的雷电及浪涌过电压采取综合防护措施。 而各系统中的供电系统防雷及电涌保护又是其重中之重。为此首先对，将对电涌的危害与产生及防雷及电涌保护等技术从根本特征原理到应用上作概述。 2、瞬态过电压会造成的损坏 瞬态过电压在很大的程度上危及甚至摧毁电气和电子装置，见图1(a)所示。瞬态过电压造成的损坏率近年来明显上升。仪器设备需要长期可靠地正常工作，一旦遭到损坏，除了要支付重新购置或者修理的费用外，有关设备部件中断运行期间造成的间接损失，甚至软件和数据的丧失也会产生额外的费用。一般情况下毁坏事故留下的场景是导线损坏(见图1(b)所示)，甚至建筑物电气安装系统遭到明显的机械性摧毁。 高集成度微电子系统的广泛使用使得电磁兼容(EMC)的问题愈来愈突出。直接或间接雷击对电气系统和电子系统造成很严重的危害，因而如何解决供电系统的防雷及电涌保护是楼宇或小区智能系统制造商与电气系统设计工程师梦寐以求的问题。 3、电源和数据线路中浪涌电压是如何产生的 瞬态过电压在大多数晴况下是由于电气设备中的开关过程和静电放电产生的。除此之外，因雷击放电和与此相关的电磁感应电磁感应，如图2所示雷击放电包括安装回路中能引起高压和电流的电磁感应场而导致电气及电子设备的毁坏。 图2 瞬态过电压从一个系统耦合到另一个系统可以是电阻性耦合方式的，也可以呈电感性或者电容性的耦台方式。此处仅以雷电放电为例对各种耦合形式作一说明。 电阻性耦合 过电压利用共同的阻抗部件从干扰源通过电路连接耦合进入干扰受体，上升特性非常陡直的电流诱发过电压，其数值主要取决于电感量和电流的变化速率，根据公式可得：UL=L di／dt，这一瞬态过电压可以通过均压等电位汇流排耦台进入相连的线路。 电感性耦合 根据感应定律，进入一根导线的电感耦合通过另一根载流导线的磁场发生。直接电感耦合的电涌使得在受影响的导线中产生了有高变化率引di/dt的浪涌电流。同时，相应的强磁场在此导线周围建立(变压器的初级绕组功能)。在其他导线中，例如在此磁场范围内的信号传辅导线中，感应出一个电压或浪涌电压(变压器的次级绕组功能)，浪涌电压沿着该导线到达所连接的设备。 电容性耦合 电容性耦台始终通过有高电位差的两个点之间的电场发生。 4、对智能搂宇防雷及电涌的保护 4.1电涌的保护与有效保护电路〞的设计方案 4.11瞬态浪涌是由于闪电放电、电气系统的开关操作和静电放电而引起的 没有限压和泄流保护措施，闪电放电所包含的能量对于即使非常可靠的建筑物的低压电源来说也还是太大了。尽管浪涌电压仅在百万分之一秒的范围内瞬时发生，仍能够摧毁电子电路或击穿印刷电路板。 为了防止瞬态浪涌摧毁电气系统，所有处于危险中的接口，如信号输入和电源，必须安装防雷及电涌保护器。根据需要，应在保护电路中单独或组合安装诸如放电间隙、气体放电管、压敏电阻和抑制二极管之类的元件，因为各元件的限压水平和通流量不同。 通过“有效保护电路〞(见图3所示)，我们可以完全地防止浪涌电压的侵害。 图3 4.12“有效保护电路〞的设计方案 “有效保护电路〞的设计方案保护方案的第一步是列出所有需要保护的设备和保护区域见图3中天馈、数据、过程控制和低压配电系统。然后对所有登记的设备所需的保护级别进行评价。 必须把被保护的系统或设备看成是在一个受保护的区域内，如图3所示。在所有的交叉点“线路一保护电路〞，应安装与需保护装置的具体电路类型或接口的标称数据相匹配的防雷及电涌保护器。如此保护电路之内的区域将是安全的，不可能受外部耦合浪涌电压的侵害。 a电源 根据所选择的电涌保护器和预期的环境影响，保护系统的电源和设备所需的电涌保护器的应用示意图，见图4所示。 图4 b测量和控制系断 过程控制领埔中的接口对浪涌电压要比电源系统敏感得多，因此须使用带组合保护电路的电涌保护器作为对其的保护。保护器应安装在信号轴入的前端，以防止电涌电压沿着保护器和接口之间的导线路径耦合所带来的危险。 根本电路呈并联的，即由气体放电管、压敏电阻和抑制二极管组成的去耦并联电路。这样可以到达20kA及以下的浪涌放电能力、非常准确地将电压限制在极低值，并实现非常短的响应时间，使用电感或电阻进行去耦。 c数据和通信接口 在数据和通信终端信号输入的保护电路中，使用了快速反响抑制二极管和大功率气体放电管的组合。由于能量配合需要，使用纯电阻器件作为去耦元件。与接口相匹配的保护器将浪涌电压限制到足够低，使得残压不再对该接口造成危险，保护电路通常作用于共模和差模电路，即信号芯线之间和芯线与地之间。 不仅要遵循电气标准，而且保护器还必须与要保护的接口匹配，实际应用中会遇到大量不同的接口方式，多种多样的保护器可适应几乎所有不同类型的接口。 4.2采用串联间隙式氧化化锌防雷模块保护方案不失为简单方便 功能特征：采用串联间隙后的氧化锌防雷模块，其间隙可保证阀片只在过电压保护动作过程随高电压，时间极短(100pS内)，在其它情况下阀片对于电网电压，或处于隔离状态(纯间隙时)，或处于低电位状态(复合间隙电阻分压)，大大改善阀片长期工作条件，还可免受暂态过电压危害和温度热损伤，保证阀片温度不超过55℃，从而保证避雷器寿命达20年以上。图5为串联间隙式氧化化锌防雷模块结构示意。 图5 串联间隙式氧化锌防雷模块采用积木式模块可插拔更换，并且具有防呆功能，通过不同角度的防呆插口(孔)有效的防止了不同电压模块与底座误插。通过不同数量的组合可适用于多路交／直流供电系统。目前中达电通推出了RPM-220、RPM-380、RPM-220A、RPM—380A系列串联间隙式氧化锌防雷模块，其中RPM-220、RPM-380系列额定通流容量为20kA，最大通流容量为40kA，RPM-220A、RPM-380A系列额定通流容易为40kA，最大通流容易为80KA。 5、网络设备的外部与内部防护措施 网络设备的外部防护 首先是使用建筑物的避雷针将主要的雷电流引人大地；其次是在将雷电流引人大地的时候尽量将雷电流分流，防止造成过电压危害设备；第三是利用建筑物中的金属部件以及钢筋作为不规那么的法拉第笼，起到一定的屏蔽作用；第四是建筑物各点的电位均衡，防止由于电位差危害设备；第五是保障建筑物有良好的接地，降低雷击建筑物时接地点电位升高而损坏设备。 网络设备的内部防护 除了电源局部防护外应建立良好的接地体系统，所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄人大地。所以，良好的接地系统是设备和人身安全的保障，也是限制地电位升高的手段。另外系统防干扰的屏蔽问题、防静电感应等都需要通过建立良好的接地系统来解决。网络系统设备接地电阻除另有规定外一般不宜大于4Ω，当采用公用接地系统时阻值不应大于1Ω。选择适宜的S型等电位联结并接地联结方式，如图6所示。 图6 这种接法中，PE线不仅保护接地，还是设备的信号接地线，因网络设备的工作频率高于工频，所以PE线具有较大阻抗，使得设备间信号线的噪声较高，此方法简单易行，常用于设备本身抗干扰能力较强而工作频率较低的场合。 6、用防雷接地技术解决监控视频中的干扰中 应该说防雷接地技术有多种，值此就视频信号“地〞与显示器“地〞接地技术分析。 视频电缆屏蔽层是接地的，如果视频信号“地〞与显示器“地〞相对“电网地〞的电位不同，即两处接地点相对电网“地〞的电压差不同，那么通过电源在摄像机与显示器之间形成电源回路，这样50Hz的工频干扰进入显示器中，从它的电气联接可以看出消除50Hz工频干扰的方法有两种：一是想方法使各处的“地〞电位与“电网地〞的电位完全相同，或者切断形成地环流的路径。由于工程环境比拟复杂，使各处“地〞完全等电位比拟困难，只能通过加大摄像机供电线缆的线径，尽可能降低地回路的电阻。或者采用切断地环流回路的方法，在摄像机或显示器端有一端不接地，通常在显示器端不接供电电源的地，这样虽不能完全消除干扰但可大大减少50Hz的干扰。如果电源线上耦合上高频噪声，即使视频电缆的屏蔽电缆的屏蔽再好，也会将噪声送至显示器，因此摄像机的供电电源线最好也要屏蔽。系统调试时假设发现干扰存在，可采用调制和解调的方法将噪声滤除，在摄像机端设一调制器将视频信号搬移到几十兆赫兹的频度段上，在显示器端设一低通滤波器将低于8MHz的信号全部滤除，再经过解调将视频图像复原。 7、新型串并联系列瞬态抗浪涌抑制器在通信网络与能源动力新领域中的应用 随着经济技术的开展，TVSS应用不再局限于电力电器设备，而是进入刭通信网络与能源动力新领域之中，如卫星、微波通信、网络伺服器及程控交换机等会出现瞬态高压浪涌之设备，见图7所示的ACV系列并联型系列瞬态抗浪涌抑制器ACV230111RKE与S系列并联型瞬态抗浪涌抑制器S230Y333及F系列串联型瞬态抗浪涌抑制器。 图7〔点击看大图〕 TVSS(瞬态电压浪涌抑制器)在串并联瞬态抗浪涌抑制器中的应用原理 在正常青况下，电流经线路供应负载，而TVSS处于高阻断状态。当有浪涌出现时，TVSS对其超过钳位电平的局部尖脉冲幅值予以短路，导通时间为纳秒(ns)级，见图8的并联型系列瞬态抗浪涌抑制器与图9(a)(b)(c)所示的串联型系列瞬态抗浪涌抑制器原理图。 图8 ACV与S系列并联型瞬态抗浪涌抑制器 图8中，钳位电压值为一般电子设备可承受有最大瞬间电压，TVSS与负载并联， 当浪涌被吸收后，重新处于高阻断状态。在工作过程中，相线-相线，相线-中线，相线-地线，中线-地线都具有浪涌抑制模块全方位位进行保护。其S系列产品为大型瞬态抗浪涌抑制器100KA- 400KA；而ACV系列小型瞬态抗浪涌抑制器40KA-80KA。 F系列串联型瞬态抗浪涌抑制器 图9(a)为实际较普遍的F系列串联型瞬态抗浪涌抑制器原理是采用低通串联混合技术， 图9(a) 它由并联的TVSS模块和串联的环波滤涉及正弦波跟踪电路共同组合而成，在图4中所。经并联的TVSS局部能吸收大于钳位电平的高压浪涌，串联的低通滤波器用于消除出现于相线-中线间的高频差模干扰，输出给负载平滑的正弦波，具体功能为： ·MOV(金属电氧化物压敏电阻)阵列是TVSS的一种，特点是快速反响，吸收高压浪涌见图9(b)； ·电路分流元件。跟踪正弦波，吸收尖脉冲，见图9(c)； ·串联模块电感，平滑波形正弦波跟踪滤波器，消除环波干扰见图9(c)。 图9(b) 图9(c) 其F系列产品为灵敏跟踪电流露波器：瞬恋浪涌抑制电流，100KA-400KA；负载电流为30A-4000A。 8、结束语 在现在社会大量使用控制系统与电子设备的今天，电磁浪涌对人和财产的损害越来越多，人们已采用了许多成功的措施防止大气放电和开关过程产生的干扰，以保证低压系统无故障运行。当然而合理的布线、屏蔽技术的应用、良好的接地、信号SPD使用，也都是比拟好的抗电磁危害与干扰的好方法。但只有多种对