浪涌保护措施在过程控制系统中的应用

摘要
目前各种形式的自动化控制系统DCS、PLC以及现场总线等发展越来越成熟，它们对各行各业的渗透，给我们的工作、生产和生活带来了越来越多的便利。但由此而带来的人类对其越来越大的依赖也是令人不安的。由于无法预测的浪涌能量有着强大破坏能力，以及它出现的时间、位置，我们无法预知。使得我们的各种自动控制系统或以计算机、网络为基础的各种控制系统处于它的直接威胁之下。系统的瘫痪，不仅带来直接的硬件损失，还会造成数据丢失、生产停顿、设备误操作等危险，甚至造成商业机会的丧失。本文初步探讨了当今国际上比较流行的浪涌保护器（SPD）设计原理、品质要求和在实际生产中需注意的各种问题。
关键词：浪涌保护器气体放电管压敏电阻限制电压本质安全接地

前言
在计算机技术和网络技术高速发展的今天，尤其是分布式技术的高速发展和Internet和Intranet的广泛应用，以PC机、HUB、路由器和各种服务器为硬件基础的各种网络、网站以数十倍的数量增长，以电子商务为标志的网络经济不仅淹没了各大商家、企业，还已经触及到千家万户。众所周知，PC机和网络技术的高速发展完全是依赖于IC技术的高速发展，今天，600MHz、0.18微米工艺技术采用了铝电导层和低容抗的氟氧化硅，其工作电压最低在1.1V和1.6V之间，不仅可以在单位面积的集成更多的晶体管，提高运算速度，提高工频，还可以大大降低系统的能耗。然而任何一种技术的进步都是以牺牲其它性能为代价的。IC技术的发展也不例外，其集成度的提高和能耗的降低带来的是其对过电压和外来热量的承受能力的降低。试验证明，万分之一焦耳的热量就足以损坏集成电路中的晶体管，而一只钢笔掉在桌面产生的热量都可以达到20焦耳。可以想象，当能量通常达几百焦耳，电流幅值高达上千安培的浪涌侵入时，对以集成电路为主的计算机、交换机等各种仪器设备的威胁将是何等严重。
国内对于建筑物的防雷和避雷、接地保护已有了成熟的认识和规范，但对于过程控制系统的电源和仪表的防护还处于起步阶段，设计人员没有规范和先例可循，广大用户缺乏使用经验，已有越来越多的用户遭受到了程度不同地损失。而国外在这方面已经有了近二十年的研究和使用经验。下面我们就结合国外在这方面的应用经验谈谈浪涌保护器的一些具体应用方案。

1.浪涌保护器应用方案：
1.1概述：
浪涌通常是指：
由于雷击、供电电压波动、静电放电、电磁场干扰及地电位差别过大等原因引起回路突现过电压、过电流的现象。直击雷或感应雷带来的强大电磁场干扰常常是形成强大浪涌的主要原因，其电流波形的上升沿异常陡峭，形成对仪表的强大冲击；另外地电势的不平衡常常也会带来各种形式的反击电流，这种现象在监视控制点比较分散的过程系统中比较常见，如下图中所示的FF总线系统。

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        现场控制系统由于其现场的检测、控制点比较分散，不同的现场表，如变送器、流量计等通常在各自的现场通过管道、支架等直接或间接接地，其信号工作回路到控制室接室内的仪表地，控制室端可能还存在电气保护地和防雷地，不同的接地之间难免出现电势差，如果由于雷击、短路等原因导致电势差急剧增大时，就会出现问题。
       现在有不少客户常常把浪涌和干扰混为一谈，干扰信号对设备的影响表现为一种高频杂波，浪涌对设备的影响表现为物理上的摧毁或加速老化。对干扰信号的防护是采用屏蔽电缆或铠装电缆，而对浪涌的防护是加装浪涌保护器，二者虽非完全互不相干，但所起的作用却是大相径庭。浪涌保护器在工作原理基本上都是采用等电位的原理，提前将浪涌电流泄放入地。信号浪涌保护器通常采用气体放电管（GDT）、热敏电阻、浪涌二极管和齐纳二极管。电源浪涌保护器主要是采用压敏电阻（MOV）、金属间隙等。元器件质量和设计方法的不同，会导致性能的极大不同。
        由于导致浪涌的原因很多、过程复杂及其不可预见性，使我们对于浪涌出现的幅值、位置、频率及传播方向难以进行准确计算。根据国外近二十年的研究和应用经验。我们可以基本得出一些应用规律。
实际应用中需要对我们的系统实施浪涌保护时，我们主要从两个方面来考虑，一是系统的信号或通讯回路部分；二是系统的供电电源部分。
1.2 应用方案：
1.2.1信号回路：
        如果通讯线缆通向室外，如，PLC，DCS等控制回路。室外发生的直击雷或感应雷常常会在回路中形成非常强烈的浪涌，冲入室内。如果大部分信号回路位于室内，如计算机网络。网络线路上出现的浪涌主要是由于静电放电或电磁波的侵入而造成的，越是高频的电磁波，其穿透能力越强。对于这些通讯回路的保护采用的主要是串联型的信号浪涌保护器，需要我们考虑到回路信号的工作电压、负载电流、工作频率和线缆的接头方式。以确保其不会影响系统工作又、达到保护的效果，又可使工程的实施尽量简便。由于系统的信号部分承受过电压的能力较低，因此我们需要特别注意浪涌保护器的限制电压这一项指标，这个参数决定了浪涌保护器在泄放浪涌电流时，输出端的电压（限制电压）。应用于高度暴露环境时（如室外的变送器和室内的I/O卡件进行通讯时），在测试波形为6KV/3KA（8/20ms复合波形）时，限制电压最优应低于2.5倍的正常工作电压。
另外常常有厂家提到浪涌保护器的反应时间(Response Time)，我们认为这个参数其实和残压是一回事，IEC标准中对残压（Limiting voltage）做了详尽的介绍，一个显然的事实就是，如果保护器的反应时间慢，导致浪涌电流已经通过，其输出电压（残压值）就高，这是肯定的；但并非可以就说，反应时间短，其残压值就低，因为还涉及到产品设计的问题。况且一个浪涌保护器中会采用多种性能不同，反应时间各异的器件，我们不能用反应时间最快的某种器件来代表其整体性能。在实际应用中，进入回路的浪涌是千差万别的，同一种器件遇到上升时间不同的浪涌电流，其反应时间也是不同的。我们可以肯定的认为浪涌保护器在实际工作中，每次工作时，其反应时间都是不同的。
1.2.2 电源回路：
        根据应用范围不同，其差别很大。对于那些高度暴露的环境，如GSM基站、室外微波通讯设施，由于处于直击雷的威胁之下。而对于各种类型的建筑物，如，智能大厦、控制电源机房等。由于其供电系统周围采取了各种直击雷保护措施，如避雷针、接地网，这些设施已经泄放了绝大部分雷击电流能量。因而由于直击雷形成的浪涌威胁已经大大降低。进入室内配电系统后，由于存在回路的分流和衰减作用，浪涌常常可以降到更低的范围。
        所以在实施方案上，可以根据实际情况和预算费用部署实施。例如针对非常重要的电源用户可以在主电源系统、分电源系统及最终用户位置实施初级(Primary)保护，如果在初级保护中使用的产品其残压值过高，可能还需要考虑次级(Secondary)甚至还有末级保护。
        电源浪涌保护器由于其使用环境的特点，内部设计不仅要有过流熔断保护，还要有完善的过热熔断保护，以防止在承受长时间的过电压后，过热引起设备起火（已有国外厂家的电源浪涌保护器在使用中发生多起起火，甚至爆炸的现象）。这是因为大多数的电源浪涌保护器内部都是采用氧化锌压敏电阻，所以北美的强制性标准UL1449 2 nd 对这一点有明确的要求。大多数浪涌保护器的厂家都是使用普通MOV厂家提供的通用型的片状，16mm直径，标称值为3KA或6.5KA的MOV，通过把这些小粒的MOV叠加起来使浪涌保护器的抗浪涌能力达到几十或上百KA。这种叠加的方式由于可以大批量地在市场上购买，因此极大地降低了生产成本。但是，这种设计方式也给浪涌保护器带来了无法克服的缺陷。首先，由于MOV本身非线性的特征，采用叠加的办法无法保证其实际的抗浪涌能力能达到设计水平，误差可能会较大。每一粒MOV的耐热、耐压能力不尽相同，同时，小粒的MOV由于散热能力较差，这种设计方式使浪涌保护器故障、失效的可能性大大增加。而且无限制的叠加是不可能的。叠加的设计方法却使得限制电压的增加很快，比如，测试电流(8/20ms复合波形)从3KA增加到10KA时，限制电压却会线性地由800V左右增加到2000V。这么高的限制电压常常会导致我们的配电设施、用电设备更快地老化。如果采用直径达40mm、3端子大块MOV，这种大块的MOV虽然在设计和生产上有相当的难度，却可以保证设备的浪涌通过能力达到设计标准（一片提供90KA的浪涌通过能力），同时其散热能力也大大提高了，并且限制电压这一重要指标也得到了极大的改善，测试表现是一条平缓曲线，例如测试电流(8/20ms复合波形)从3KA上升到10KA时，限制电压仅从800V左右上升到1000V左右。所以如果采用这种MOV，在实际中使用浪涌保护器时，就不需要设置多级保护，虽然性能不错，但缺陷是成本高。

2. 浪涌保护器在本安领域中的应用
        在过程控制领域中，工厂常常有DCS，ESD，F&G等系统，这些系统却时刻处于附近的电源故障或雷击造成的浪涌和瞬间过电压的威胁之下。这些瞬间过电压同时也影响着那些处于危险区和安全区的设备，这些设备通过各种系统连接在一起。用于现场的各种电子设备，如流速、液位和温度变送器也不能幸免。因此，很多工厂自己想办法为他们的设备添加防雷保护装置。然而，电子和电气系统如用于易爆气体环境，需先通过各种认证，这就使问题变得复杂了。本文描述了浪涌保护器件和经过认证的本安系统共同用于危险领域时的复杂过程。浪涌保护器的工作特性是它只能就地工作，提供保护。例如，安装在机柜中的浪涌保护器只能为机柜中的通讯卡件提供保护。如果现场设备也需要保护，这就需要在现场增加保护器。这在各种标准中都有描述。如BS6651，SSCP33，AS1768。
       要阻止可燃性气体被点燃可以通过将电气能量限制在点燃水平以下。本安系统包括安全区和危险区的设备（见图2），其通讯是通过能量有限的接口，通常称为本安接口。在安全区，电气设备连接在通过认证的本安接口的一个端子上。在危险区，现场设备在设计上不允许存储或产生足以点燃可燃性气体的能量。这些设备应被认证为本质安全或简单元件。这种在危险区和安全区认证的设备组合被证明在仪器和控制应用中是非常成功的。
2.2 用于本安系统中的浪涌保护器
        本安回路中的浪涌保护器件必须符合本安设备的设计和建筑标准，例如，它们要么根据其储能元件和电压产生元件被认证为简单元件，或根据应用环境被认证为满足安全要求。
        一个典型的混和型浪涌保护器件包括一个气体放电管钳制器、串联阻抗和浪涌二极管，或金属氧化压敏电阻，在本安接口控制上被认为是简单元件，因此符合本安应用。在安全区一侧，很多用户和顾问们乐意将SPD提交给国内或国际上的各种独立测试机构进行认证，如EExia，BASEFFA，CSA。这种由第三方权威测试机构作出的结论能给用户们更进一步的保证。
2.2.1简单设备
多年来，IEC和CENELEC标准中对于简单设备的定义是：
        根据制造商提供的指标，设备中无任何器件的参数超过1.2V，0.1A，20μJ，25mW 。因而无需进行任何测试和标注。
       这一条款放在本安设备标准中应该是一个更为完善的解释。在美国，同等的定义是，'非储能，不产生电压的器件'。
        这一条款函盖了诸如开关、热电偶、RTD、LED等，并得到广泛的应用，这也是它得到本安系统接受的主要原因。绝大多数Telematic的SPD因被设计成低压直流系统，而被视为简单设备，因而在用于本安回路时无需认证并不影响其安全性。那些通常用于危险领域的设备需要第三方认证为简单设备，主要是因为用户需要这样的文件作为一个附加的保险措施。
2.2.2 SPD用于本安回路中时在设计上的考虑
       在设计上对SPD的考虑相当于'开－闭'－有许多回路方案可供选择，但常常我们并不清楚一个设计到底有多简单；电感可用来降低回路阻抗，电容通常用来提供噪声滤波－通常是不考虑这些器件对能量的存储问题。
因此应该使用经过本安或隔爆认证的SPD。应该注意的是，SPD自身并非是本安器件，尽管两者在机械和电气性能上有明显的相同点。然而，尽管经过认证的SPD可用于本安回路中，并不是说就可以省去安全栅了。
2.2.2.1对控制室一端进行保护
       SPD可以插入本安回路中的任何部分，放在安全栅和现场设备之间。在安全区，通常将它们安装在仪表盘的背面或控制柜中。
SPD可以直接连接在现场电缆的端子上，这样在许多I/O设计中，可以取代接线端子。
在安全区，SPD和安全栅在安装上应尽量靠近但不能靠在一起，尽管安装硬件是相同的。

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在控制室一端安装浪涌保护器和安全栅
2.2.2.2对现场区域的保护:
        在危险区，SPD可以装在防雨、防爆箱中保护附近的多个设备，或者，单个的变送器可以配装各自的防雷保护器。有的变送器厂商为其变送器提供防雷器选件，这类选件通常是在变送器的输入端子上添加MOV或浪涌二极管端子，这种端子的抗浪涌能力通常在1KA左右，低于BS6651和IEEE：C62.41中的标准。效果通常不佳，对于高度暴露环境，最好添加较高品质的专用防雷器，以提高其抗浪涌防护能力。
2.3 浪涌保护器在本安应用中的接地
        在本安系统中，接地通常被认为是件非常困难的事情。而接地规范看起来却是相当简单的，将SPD插入本安回路对回路不会有什么影响。在应用中使用不同的安全栅应该有不同的考虑，包括SPD的位置。以下是我们应该注意的几个方面：
a) 本安回路中使用隔离栅时的接地
b) 本安回路中使用齐纳式安全栅时的接地
c) 本安回路两端同时使用防雷器时的接地
2.3.1 本安回路中浪涌保护器配合隔离栅时的接地
        隔离的本安接口通常是不需要将接地高度集成在一起的，因此防雷器的接地系统通常按照厂家推荐的方法。但如果隔离栅与一个已经接地了的传感器在一起使用，那么我们应该在回路的两侧都考虑使用防雷器。
2.3.2 本安回路中浪涌保护器配合齐纳式安全栅的接地
       安全栅应该连接在主电气系统的接地上，或使用专用接地导体(12AWG)连接在等电位系统上，连接阻抗不应超过1欧姆。防雷器也需要有效的接地系统，安装基于安全栅的本安系统时应符合设计人员在接地上的考虑细节要求，同时也把防雷器的接地考虑进去。
       最好的方法是将安全栅和防雷器如图3所示并排安装在一起。图5表示的是同时安装使用安全栅和防雷器的一个完整的本安系统。(在本例中，安全栅和防雷器都是通过DIN导轨接地的，也可通过别的的可靠方式接地)

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我们推荐的包含安全栅和防雷器的本安回路的接地系统
        根据这些要求，可以满足本安和防雷器的接地需要，而不会相互影响。需要注意的是，应将控制系统和主电气系统之间的接地连接移走。否则，将会多出一条并联路径，浪涌可能会因此通过I/O系统，而这正是安装浪涌保护器所要防止的。
2.3.3本安回路的两端同时安装浪涌保护器时的接地
       如果在本安回路的两端都使用浪涌保护器时，可以采用两个间接的回路接地。本安系统中的安全栅在安装上通常要求整个回路能经受500V的隔离测试(除了规定的端点)。如果传感器在连接时已经接地了，那么隔离栅也就确定了。由于SPD的工作方式不一样，它不能承受500V的隔离测试，因而在回路端口上安装SPD从某种意义上讲背离了本安的安装要求。
       对于多点接地的情况，各个国家有自己的观点。在英国，通常采用等电位连接的方法。在德国，也采用近似的方法，除非公共接地是在工厂的等电位网络上。在美国，多点接地是允许的，尽管用户们有时可能会遇到接地回路串扰的问题。
       国际电工委员会工作组通过工作实践得出来的，SPD工作起来，象一个经过精心设计，在承受过压的情况下可以自动断开和重新恢复的设备。在一些我们无法控制的地方，SPD可以防止危险的火花产生。如果10KA的浪涌或10KV的瞬间过电压进入工厂，与其让它在一个我们不知道的地方打出火花，还不如采用一个可靠的方式将其泄入地下。IEC60079：14第四部分记录了IEC协调各种标准后得到的结果。
2.4 IEC 79-14 和浪涌保护
       在IEC79：14记录了协调各种标准后的最新成果。在6.5节，建议应该采用防雷保护的国家标准(在英国，是BS6651:1992)，12.2.4节中专门论述了本安回路的接地。图4对于齐纳式安全栅的接地也有指导意义。
IEC 79-14 中的12.2.4节是这样论述的:
"在本安回路中，无隔离栅时，安全栅(如，齐纳式安全栅)的接地端子应该是这样的：
1) 通过尽可能短的途径接在等电势系统上
2) 对于TN：S系统而言，应连接在一个公共接地端上，并确保从连接点到主电源地极的阻抗不高于1欧姆。还可以连接在电源开关室的地极上或使用单独的接地柱。地线应绝缘，以防金属件上的大电流通过地线侵入(如，控制机柜 )。
有两点需要我们注意：
a) 齐纳式安全栅的接地必须连接到电气星型接点上，使用阻抗不超过1欧姆的接地导体。
b) 接地导体应该作绝缘处理，以防带入误电流。
这两点通过采用图4所示的方法可以做到。另外，这一部分专门推荐了采用浪涌保护器：
      "如果部分本安回路安装在0区，各种设备之间可能会产生较高的电势差，这对于精密设备是非常危险的。例如，来自大气中的放电。在信号电缆连接的设备一端采用浪涌保护器是非常可行的方法，距离最好是在1米以内。例如，在易燃液体存储罐附近，石化行业的液体处理工厂和蒸馏车间。危险的高电势差常常会出现在厂内或暴露的设备上。这种危险是不能通过安装地线来解决的。
2.5 结论：
        本文的结论是，用户通过在自己的本安系统中采用经过本安认证的浪涌保护器可以为人员、设备和生产带来一个更为安全的环境。