浅议工业过程控制系统的防雷保护

田 壮 ，李代明

（1. 中国电子工程设计院，北京 100840；2. 中达电通股份有限公司，上海 201209）

浅议工业过程控制系统的防雷保护

田 壮1，李代明2

（1. 中国电子工程设计院，北京 100840；2. 中达电通股份有限公司，上海 201209）

0 引言

随着计算机技术(Computer)、控制技术(Control)、通讯技术(Communication)、显示技术(CRT)的发展和广泛应用，目前工业自动化过程控制普遍采用由工业计算机（IPC）或可编程控制器（PLC）组成的集数据采集、过程控制和信息传输于一体的监控网络，工业过程控制系统中，数字技术向智能化、开放性、网络化、信息化方向不断发展。控制系统在自动化应用领域的重要性类似于人的中枢神经系统，如果人的中枢神经受到干扰，人就可能无法及时、正确地获得信息并做出思考和决策。如果工厂的控制系统受到干扰，系统就可能出现故障，或者输出错误的控制指令，结果轻则影响生产效率和产品质量，重则造成生产中断甚至爆炸等严重事故。

雷电是自然界巨大的电磁辐射源，当雷击发生时，在几微秒到几百微秒时间内，要释放上百甚至几百千安的雷电流，瞬间释放的巨大电流会在放电通道的周围空间产生巨大的瞬变电磁场，处于瞬变电磁场中的金属导体会感生瞬态过电压，中低量级的瞬态过电压可以干扰电子设备讯号或数据的传输与存储，甚至导致数据丢失，可能引起电子设备产生误动作或暂时瘫痪；反复多次的瞬态过电压影响能减少电子设备使用寿命、降低系统工作的可靠性，甚至直接烧毁元器件及设备，造成生产中断甚至安全事故。这一切都会给工厂的生产和经营带来较大损失，所以对工业自动化系统采取有效的防雷保护措施是非常必要的，是企业自动化生产实现安全、稳定、长期、满负荷、优质运转的重要保障。

1 瞬态过电压的来源、传播途径和危害

正确地认识瞬态过电压的来源、传播途径和危害是采取正确防护措施的前提。

1.1 瞬态过电压入侵电子设备的方式及传播途径

1）直击雷：闪电直接击中架空电力电缆、通讯电缆、天线等，雷电流将沿线路传播，产生瞬态过电压侵入电子设备造成破坏。

2）静电感应过电压：带电雷云在天空快速移动，与其相对的地面物体、金属导线等在雷云电场的作用下会迅速聚集大量的异种电荷跟随雷云移动，当某一时刻雷云对大地某一点迅速放电后，雷云电场消失，此时聚集在导线上的大量电荷会沿线路快速传播寻找入地点，此高电压对线路上连接的电子设备可造成破坏。

3）电磁场感应过电压：当雷云之间放电或雷云对地面物体放电时，会在放电通道周围产生一个瞬变电磁场，处于瞬变电磁场中的金属导体将感应产生瞬态过电压，此过电压沿线路传播可对线路上连接的电子设备造成破坏。

4）高电位反击：大量雷电流通过接闪器引下线入地时，在入地点处会形成一个局部的高电位区，该雷电流总是会选择阻抗最小的路径离开入地点。如果附近有与受雷击建筑物有电气连接的独立接地建筑物时，接地极、导线及电子设备的电气回路的导电率远远高于土壤，此时高电位将沿接地极、导线及电子设备的电气回路传播，对回路中的敏感电子设备造成破坏。

5）电磁辐射：雷击发生时，会在雷击放电通道周围产生一个瞬变电磁场，雷电能量以电磁场的形式在三维空间辐射传播，可能对附近屏蔽不良的敏感设备造成干扰甚至破坏。

6）操作过电压：供电系统中的电感性和电容性负载开启或断开、电源线路短路等状况发生时，都能在电源线路上产生高压脉冲，其脉冲过电压可达线电压的3～10倍，可能损坏线路中的敏感设备。破坏效果与雷击瞬态过电压引起的破坏效应类似。

1.2 瞬态过电压入侵电子设备可能引起的后果

1）造成干扰：较低量级的瞬态过电压虽不会造成设备物理性损坏，但可能干扰数字或模拟电平，从而引起误码、设备误动作、数据丢失、软件或数据损坏、死机等诸多麻烦。

2）加快设备老化、衰变：中低量级的瞬态过电压可能不致一次就造成设备物理性损坏，但是电子设备、电路系统长期受到中低强度的过电压冲击，将使得线路系统和设备电子元器件加快老化，绝缘性能降低，使用寿命减少，使设备、系统故障率上升，稳定性、可靠性大大降低，产生许多不确定性。这种情况可能比直接损坏更糟糕。

3）造成设备、线缆损坏：过高的瞬态过电压将会造成元器件、I/O板、集成电路等的损坏。瞬态过电压引起的短路还可能造成低压配电系统损坏，不仅带来直接经济损失，还可能造成难以估量的间接损失。

2 瞬态过电压的综合防治措施

雷电是产生危险瞬态过电压的主要原因，针对雷电的特点、雷电对电子电气设备/系统的破坏形式、雷电能量的传播途径，结合被保护设备的性能参数和防雷安全要求，综合运用接闪、分流、均压、屏蔽、等电位连接、接地、箝位、合理布线等成熟技术措施，实行综合防治、分区保护、层层设防，建立完整可靠的防雷安全网络，隔离电磁干扰、分流瞬态过电压，从而达到保障电子设备/系统防雷安全的目的。

在工厂自动化控制系统综合防雷保护中具体要应用的技术措施包括：

1）直击雷防护

直击雷防护包括建筑物直击雷防护和室外天线等设施的直击雷防护，是整个防雷系统的基础和重要组成部分。通过接闪器、引下线、接地装置为雷电提供一个低阻抗的有利泄放通道，避免其随机选择放电目标造成不确定的损失，从而形成一个发生直击雷概率极小的安全区域。

在考虑直击雷防护时应注意，接闪器的设置以能够提供可靠的、足够的直击雷防护安全区，而尽可能不增加受直击雷概率，同时能兼顾为建筑物内部提供一定程度的电磁屏蔽为好。大面积的厂房、办公楼防直击雷最好以建筑物顶部结构钢筋网加女儿墙避雷带相结合作为接闪器，如果屋面上有天线等突出物需要防直击雷保护，其避雷针的架设高度以能保护到天线即可。

2）屏蔽

屏蔽是电子设备防电磁干扰的基本措施，通常包括建筑物主体钢筋构成的法拉第笼屏蔽、重要机房屏蔽、线路屏蔽、设备屏蔽等。需要注意的是，在进行线路屏蔽时，应确保屏蔽层整体电气连通，并至少在两端及跨过不同防雷区界面时与地网或等电位接地排良好连接。

在考虑屏蔽措施时，须兼顾对磁场的屏蔽和对电磁场的屏蔽效果。

对工厂自动化控制系统而言，做好现场设备的屏蔽、传输线缆的屏蔽和控制中心设备的屏蔽至关重要，一方面可以防止线间串扰、隔离外来干扰信号，使系统正常运转；另一方面可以大大减少电磁感应耦合引入的瞬态过电压，使系统更安全。

3）等电位连接

等电位连接是电气安全防护、雷电电磁脉冲防护、操作过电压防护的重要方法，是保障操作人员、电子设备电气安全和防雷安全的基本措施。

等电位连接包括正常不带电金属物（如金属线槽、电缆桥架、金属门窗等）直接与地网或等电位接地排良好连接，正常带电金属物（如电源线、信号线、天馈线等）通过SPD与地网或等电位接地排作暂态等电位连接两个方面。

4）箝位（线路瞬态过电压防护）

在需保护的电子设备的电源输入端口，各种信号线、天馈线进出设备端口，选择安装参数匹配、性能可靠的SPD，将线路可能引入的瞬态过电压限制到设备绝缘安全水平以下，从而保障线路上电子设备的防过电压安全。

5）防静电

将控制机房等处的防静电地板良好接地，防止静电电荷积累、放电，可有效防止静电引起的干扰和放电击穿危害。

6）接地

通常，接地可分为防雷接地、交流工作接地、安全保护接地和信号工作接地等四类，这四类接地的目的和要求各不相同，相互间又有影响。

防雷接地的目的是为了将雷击脉冲大电流尽快泄放到大地，尽量降低接地引下线上的电位升和接地点周围的电位梯度，防止发生接触电压、跨步电压伤害事故。雷电流是高频脉冲电流，因此，防雷接地网需要的是较低的冲击接地阻抗，而不是较低的工频接地电阻。所以，防雷地网应该是以水平接地极为主，呈网格状的大面积地网，以增加地网与大地间的电容，利于快速释放电荷。同时引下线应尽量多根对称分布，减少每根引下线的电流量，降低引下线对高频脉冲电流的感抗。

交流工作接地和安全保护接地主要是疏导工频电流，只要工频接地阻抗达到要求即可，对地网结构没有其他要求。需要注意的是应采取措施防止工频电流可能对信号接地造成的工频干扰问题。

信号工作接地的目的是为信号设备提供稳定的参考电位，保证信号能被正确识别，使信号设备/系统能正常工作。信号频率可能较高，但工作电流很小，大多为毫安级，所以只要接地电阻达到要求即可。信号接地同时还必须考虑防止引入干扰的问题。大量电子/电气设备的使用使地下杂散电流很多，地下杂散电流通过信号接地系统对信号设备造成干扰，信号地网所包围的面积越大，耦合引入的干扰信号就越多。因此，信号工作地网以单根长垂直接地极为最好，如果用多根接地极的话，应呈放射状连接，避免构成闭合环状。

一座现代化的工厂里，往往同时存在多个电子系统，大量的电子设备分布在空间跨度很大的不同区域，通过信息传输线连接成系统，在工厂土地资源有限、地下管线密布、电子设备数量多密度大的情况下，要为几种不同接地分别设置独立接地网（独立地网间的距离不应小于20米）常常是不现实的，而且独立地网带来的地线电位差也是电子设备安全的隐患。因此，在大多数情况下采用联合接地成为必然。

联合接地的优点主要是：

（1）消除了原分立接地装置间可能产生的电位差，防止发生反击，安全性更好。

（2）在建筑密度大、可利用土地有限、建筑智能化程度高、电子/电气系统结构复杂、设备数量众多的情况下，联合接地在工程技术上更可行。

（3）更容易获得低的接地电阻。

（4）通过适当的技术措施，可同时满足不同设备抗干扰方面的需求。

（5）节约投资，经济性更好。

笔者以为，当前接地的问题不仅仅是如何降低接地电阻的问题，更重要的是如何协调处理好几种接地之间的关系，既实现各种接地自己的目的，同时又不影响其他接地目的的实现。通过对联合接地网不同功能区设计不同的地网布局结构，既可以满足各种接地的目的，又能最大限度减少对信号地线的干扰。

7）合理布线

选择合理的布线路径和设备分布位置，减小线路、设备所围成的环路面积，可有效降低耦合进入线路的雷电能量，提高系统安全性。合理的布线可以防止不同线路间的相互干扰，防止二次污染。

3 工厂自动化系统防雷保护效果三要素

工厂自动化系统防雷保护的效果取决于三个要素，三者缺一不可：

1）合理运用综合防雷技术措施，根据现场实际情况设计科学合理的防雷技术方案；

2）选择技术成熟、性能稳定、质量可靠的防雷产品；

3）严格按照防雷工程施工工艺要求施工。

4 结束语

保障工业自动化系统的防雷安全是保障工厂安全生产的重要工作内容，本文分析了危害工业自动化系统设备的瞬态过电压的来源、传播途径和危害，总结了工业自动化过程控制系统综合防雷保护的基本原理、技术和方法。

[1]GB50057－1994《建筑物防雷设计规范》（2000年版）

[2]GB50343-2004 《建筑物电子信息系统防雷技术规范》

[3]虞昊,等.《现代防雷技术基础》.

Super fi cially discourse the protection of lightning for industrial process control system

TIAN Zhuang1, LI Dai-ming2

工业自动化过程控制系统在制造业的运用日益普及，大大提高了生产效率和产品质量。与此同时，雷电等引起的瞬态过电压导致自动化系统设备损坏，造成设备停机、生产中断，甚至引发严重安全事故的案例也不断增加。认识瞬态过电压的来源、传播途径和危害，了解综合防雷技术并正确运用，是保障工业自动化系统防雷安全、保障工厂安全生产的重要工作内容。本文就工业自动化过程控制系统的防雷保护基本原理和方法做粗浅探讨。

工业自动化过程控制系统；瞬态过电压；综合防雷；联合接地

田壮（1973－），男，北京人，工程师，学士，主要从事电气控制系统工程设计工作。

TP391

A

1009-0134(2010)06-0181-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.59

2009-09-24