分散型控制系統的防雷

摘要：回顧防雷概念的轉變，介紹直擊雷、雷電電磁脈沖對DCS的危害，闡述了具體的防雷措施。

關鍵詞：直擊雷 雷電電磁脈沖 雷電波 屏蔽

1. 問題的提出　　

聲、光、電現象同時迸發的直擊雷，可以擊毀其放電通道上的建筑物和生命財產,對此人們已很熟悉，也有較成熟可靠的防護技術。但伴隨著雷電產生的雷電電磁脈沖，以電磁感應作用和電流波形式，對近十多年來迅速發展的電子、信息、控制設備的破壞和危害，是上個世紀九十年代以來雷電災害最顯著的特征。它的成災率更高，損失更大，因而也就成了防雷技術中一個急需解決的重要課題。

　 凡是基于微電子器件的控制設備，都存在著耐壓低、對電磁脈沖特別敏感的短處。雷電引起的各種過電壓可達數百乃至數千、數萬伏，而基于微電子器件系統的耐壓值都很低，一般承受不了正負5V的電壓波動。美國通用研究公司R·D·希爾用仿真試驗建立的模型表明：對無屏蔽的計算機，當雷電電磁脈沖的磁場強度超過0.03×10－4T時，計算機會誤動作；當超過2.4×10－4T時，計算機會永久性損壞。所以，如無一定的防護措施，即便是質量很高的信息控制系統，也很難保證在雷擊情況下仍然可以安全地運行。

我們從調研中得知，進口的控制系統（如應用在某化學公司的美國GE系統和SMART現場總線等）都曾遭受過雷電的侵害。又根據資料報道，在中國氣象部門，像國家氣象中心的大型計算機網絡、通信系統等要害部門也都曾多次遭遇雷擊。

我國對于建筑物的防雷已有了比較成熟的認識和規范，國家標準《建筑物防雷設計規范》（GB50057－94，2000年版）較1994年版，在參考了IEC標準后也專門增加了一章《防雷擊電磁脈沖》，但對分散型控制系統（DCS）的防雷問題，在概念和系統的實施方面還都處于起步階段，沒有專業的規范和先例可循。為此有必要對這一問題做一探討，以規范今后DCS工程的防雷設計。


2. 回顧防雷概念的轉變

　 建筑物的防雷是一門古老的技術，但是防雷技術在近二十年發生了很大的變化，其中重要的是在防雷概念上有如下幾點轉變：

1）防雷的重點從人身和電氣設備的安全轉變為通訊和信息系統的安全。過去建筑物的防雷技術以防直擊雷為主，側重防機械性破壞和雷電反擊；現在則以防感應雷擊為主，側重防雷電的電磁感應效應。

2）外部的防雷技術從以前的避雷針和避雷帶轉變為現在的避雷網和法拉第籠；內部的防雷技術從以前的以隔離方式為主轉變為現在的以等電位聯接方式為主。

3）以前檢驗接地系統是否合格以接地電阻值為準，現在側重于接地結構兼接地電阻值，特別是從獨立接地到等電位聯接方式的轉變。

　 如上所述，防雷技術和防雷概念雖然有了很大的變化，但直至現在，防雷的理論基礎仍然還是安全地引雷入地，閃電是一個電流源（更確切地說是電流波），而不是電壓源，防雷裝置是給雷電流提供一條或幾條低阻抗的接地通道，這些基本概念仍然沒變。

3雷電對分散型控制系統危害的形式

雷電對分散型控制系統的危害主要是通過直擊雷和雷電電磁脈沖干擾（也稱雷電波）兩種形式。

　 直擊雷對分散型控制系統的危害指的是：

1）雷電直接擊中建筑物或地面上，雷電流沿引下線、接地體流動過程中，在土壤中產生強大的感應電磁場，通過感應耦合到DCS等電子設備內，損壞DCS等電子設備；

2）控制室建筑物的防直擊雷裝置在接閃時，強大的瞬間雷電流通過引下線流入接地裝置，會使局部的地電位浮動并產生跨步電壓，如果防雷的接地裝置是獨立的，它和控制系統的接地體沒有足夠的絕緣距離的話，則它們之間會產生放電，這種現象稱為雷電反擊，它會對控制室內的DCS系統產生干擾乃至破壞。