過壓保護在過程控制中的應用

李金波

(黑龍江省科學院自動化研究所，哈爾濱150090)

近30年以來，隨著經濟的快速發展，信息化設備得以廣泛地應用，人們已經越來越離不開電力、測量和控制、信息通訊等設備，人們對使用這些設備已經習以為常，只有當這些設備發生故障的時候，才會感到它們是多么重要。然而，隨著科技的進步，設備集成度的提高，其耐沖擊能力卻顯著降低，導致因雷電產生的雷擊電磁脈沖對電子設備的損害呈逐年上升趨勢，同時電氣系統的開關操作和靜電放電(ESD)所產生的瞬態浪涌也對電子設備造成了極大的危害，尤其是在自動化領域，測控設備的過壓保護更為重要，其中任何一個設備的損壞都有可能導致巨大的損失。

1 過壓產生的原因［1］

瞬態過壓主要來源于大氣放電產生的雷電放電、設備開關過程的浪涌電壓、靜電放電現象和線路故障。

1.1 雷擊放電

在雷擊點將會產生很大的電流，由此產生巨大的電壓降。就是對接地電阻非常小的建筑物和系統來說，產生的電壓降也是非常大的，這個電壓降可以通過直接傳導、電感和電容耦合的方式由電源、測量設備或數據傳輸系統進入電氣設備或電子設備內部。

1.2 開關動作產生的浪涌電壓

因設備開關而產生過壓的次數遠遠大于雷擊產生的過壓次數，尤其是主回路的大電流開關動作會產生明顯的過壓。設備開關產生過壓的原因在于開關的結構，斷開或接通電流開關觸點的動作并不同交流電電流的回零點同步，在電流斷開的時候有一個非常快速的電流變化，從一個很大的值到一個零值(di/dt)。因為電路中有阻抗的存在，這將產生一個高頻和高壓尖峰的浪涌電壓，這個浪涌電壓將通過直接、電感、電容耦合的方式到達電氣元件，對這些元件造成損傷或徹底地破壞。當電路接通時也會因為電流的快速變化產生過壓。

1.3 靜電放電現象

眾所周知靜電放電現象是由摩擦積聚的電荷產生的。我們經常會碰到這種現象，比如說當你走過地毯時，經常會有被電擊的感覺，這些積累的電荷可達到上萬伏。當這些電荷向低電位釋放的時候，我們把它叫作靜電放電(ESD)。如果這些電荷沖擊到電氣元件時，通常會造成電氣元件的徹底損壞。

1.4 線路故障

在50/60 H主回路中經常會發生線路故障，也許是電源設備的故障或機柜的錯誤接線。而這些故障通常也會使線路中產生高電壓。

2 測控系統引入過壓的途徑

2.1 直接耦合

過壓通過共同的接地阻抗直接進入線路中，如圖1所示。過壓的數值是由雷擊的電流和接地電阻的大小來決定的。過壓的頻率和波形曲線取決于線路的電感值和電流上升的速率，甚至一定距離外的雷擊也可通過電波的傳播導致過壓，這個過壓通過直接耦合來影響電氣系統的不同部分。

圖1 直接耦合Fig.1 Direct coupling

2.2 電感耦合

一個大電流的雷擊會產生一個強大的電磁場，如圖2所示。在這個電磁場內的導體(比如:接地線、電源線、數據線等)會通過電磁感應產生一個過壓，根據變壓器原理，通過電感耦合的電壓取決于高頻電流的變化率di/dt—當原邊和副邊只有一根導線時(即電感非常低的時候)，也能感應出很大的電壓。

圖2 電感耦合Fig.2 Inductive coupling

2.3 電容耦合

過壓的電容耦合也是可能的，如圖3所示。當一根導線受到過壓時，會和相鄰的低電位導線產生一個很強的電場，電場內的電子移動最終導致高電位導線向低電位導線放電，使低電位導線同樣受到過壓的沖擊。

3 過程控制中過壓保護的原理［2］

過壓保護的基本原理是:在瞬態過壓存在的極短時間內，在被保護區域內的所有導電部件之間建立起一個等電位。在保護的區域內，所有導電部件都可認為具有接近相等或絕對相等的電位，因而不存在顯著的電位差。在測控系統中經常遇到的是數字信號和模擬信號，對于這兩類的信號是我們設計保護的重點。

圖3 電容耦合Fig.3 Capacitive coupling

3.1 數字信號

數字信號大多是兩線制的信號，會有一個基準電位。這些通常來自于數字量的傳感器、執行器和顯示儀表，比如限位開關、探針、光電柵、接觸器、電磁閥和告警燈。這些信號的參考點可以是接地點也可以不是，這取決于保護方式。數字信號通常會受到的是共模干擾。共模干擾是指導體和參考點(接地點)之間產生的干擾電壓，主要由電容耦合的方式產生，如圖4所示。從電流的方向和路徑來看，共模電流是在兩根導線上以相同的方向流動的，它們的返回路徑都是地線。

圖4 共模干擾Fig.4 Common code interference

3.2 模擬信號

模擬信號大多也會是兩線制的電壓或電流回路信號，不帶有公共參考點，就像4～20mA電流信號一樣。模擬信號通常受到的是差模干擾。差模干擾是指導體和導體之間產生的干擾電壓，這要由電感耦合和直接耦合方式產生，如圖5所示。從電流的方向和路徑來看，差模電流是在兩根導線上以相反的方向流動。

圖5 差模干擾Fig.5 Differential-mode interference

4 過壓保護在測控系統中的工程實踐

某自來水廠，周邊空闊，建筑物少，水廠在設計和建設時，多考慮建筑物和高壓配電系統的防雷保護，近幾年來水廠都普遍改用自動化控制，增加了很多諸如PLC、在線儀表、閉路監控、網絡設備等一批微電子、智能化設備儀表，這些弱電設備內部結構高度集成化，從而造成設備耐壓、耐過電流的水平下降，對過壓的承受能力明顯下降;另一方面由于信號來源路徑增多，系統較以前更容易過壓侵入。

為了防止過壓破壞高靈敏度電氣設備，在過壓到達敏感的電氣元件之前使用短路的方法將過壓對地釋放掉，因此我們在本項目系統設計和工程實施過程中，要多方面考慮各種因素，做好防護。

4.1 信號系統的防護

(1)水廠電動閥門上的限位開關通常用來檢測閥門開啟的位置，而且現場的環境都非常的惡劣。比如當限位開關被激活時，馬達迅速反向轉動時會在電網中產生很大的干擾，因此我們使用的是 Weidmuller的 MCZ OVP SL 24Vdc0.5A過壓保護器，如圖6所示，可以保護兩個控制器輸入信號，每一路都通過氣體放電管、壓敏電阻和抑制二級管接地，提供過壓保護。

圖6 MCZ OVP SL 24Vdc0.5A過壓保護器Fig.6 MCZ OVP SL 24Vdc0.5A overvoltage protector

(2)水廠中還有很多液位需要測量，測量容器液位時，傳感器需要輸入24 V供電電源，輸出對應于液位的4～20 mA信號到控制器。由于傳感器和控制器之間的距離非常的長而且暴露在外面，這時要在傳感器前和控制器前加上過壓保護元件，我們使用的是Weidmuller的MCZ OVP CL 24 Vdc0.5 A 端子式過壓保護器［3］，如圖7 所示，當卡裝到導軌的同時，MCZ端子式過壓保護器就和接地點聯結在一起了。

我們采購的所有過壓保護產品都有一個接地端子，聯結到等電位帶的接地線必須連到這一點。接地線的導線截面應盡量大，而且到接地排的長度要盡量的短，每1 cm地線長度的增加都會使過壓保護器件的殘壓上升。

4.2 正確使用屏蔽電纜

不正確的接地或沒有使用效果良好的部件，都會降低保護的效果或根本無效。實踐證明，在任意一點將屏蔽層接地是遠遠不夠的，因為有時選定的接地點并不能消除高頻干擾產生的影響。

圖7 MCZ OVP CL 24 Vdc0.5 A過壓保護器Fig.7 MCZ OVP CL 24Vdc0.5A overvoltage protector

屏蔽層不能連接到設備工作地上，而應連接到保護地上。如果外殼沒有接地，屏蔽層需要聯結到一個單獨的接地點。接地回路電阻越小，通過電感耦合產生的干擾電壓也越小。下面的簡圖是屏蔽層一端和保護地之間常使用的聯結方法，如圖8所示，用來消除因電容耦合產生的干擾電壓。

圖8 屏蔽層一端接地Fig.8 Shielding layer grounded at one end

當長距離聯結屏蔽電纜時，比如當現場的傳感器必須聯結到控制室中，兩個接地點的電位差不能被忽視。我們采用的方法是將現場側和控制室內的接地點通過一根均壓線聯結起來，屏蔽層兩端接地，如圖9所示，用來消除因電感耦合產生的干擾電壓。

圖9 屏蔽層兩端接地Fig.9 Shielding layer grounded on both ends

4.3 電氣柜的內部部件的分區

鋼制的電氣柜具有很好的磁場屏蔽特性。我們將過壓保護器件安裝在線纜的進線側，即最靠近電纜進入點的導軌上，這樣過壓在進入機柜處就被釋放掉了，就可以防止外部的干擾電壓耦合入機柜。同時在機柜敷設的信號電纜聯到過壓保護器的距離要短，特別是數據電纜，然后再接到設備。也要將被保護和未被保護的線纜隔開，敏感的信號電纜在布線時要同干擾源分開。在這里接地線被定義為未保護線，在布線區域或線纜槽內可以使用金屬隔板來獲得隔離的效果，如果信號線纜和電力線纜是平行敷設時，兩者之間的距離至少為500 mm，將屏蔽電纜直接接入設備，并將屏蔽層同設備相聯。

5 小結

過壓保護已成為電磁兼容研究的重要方面，同時也被列入了相應的政策法規中。測控系統各種線路伸入到工廠的各種環境之中，采用任何一種單一的過壓保護方式都有難以保證其安全，必須采取綜合防護的措施，才能確保精密電子設備和信息網絡的正常運行。

［1］喻劍輝，張元芳.高電壓技術［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［2］平紹勛.電力系統內部過壓保護及實例分析［M］.北京:中國電力出版社，2006.