雷電對(duì)弱電設(shè)備的干擾與防護(hù)

　　1)三級(jí)保護(hù)

　　對(duì)于自動(dòng)化控制系統(tǒng)的所需浪涌保護(hù)應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行綜合考慮，針對(duì)自動(dòng)化控制裝置的特性，應(yīng)用于該系統(tǒng)的浪涌保護(hù)器基本上可以分為三級(jí)，對(duì)于自動(dòng)化控制系統(tǒng)的供電設(shè)備來說，需要雷擊電流放電器、過壓放電器以及終端設(shè)備保護(hù)器。數(shù)據(jù)通信和測控技術(shù)的接口電路，比各終端的供電系統(tǒng)電路顯然要靈敏得多，所以必須對(duì)數(shù)據(jù)接口電路進(jìn)行細(xì)保護(hù)。

　　自動(dòng)化裝置的供電設(shè)備的第一級(jí)保護(hù)采用雷擊電流放電器，它們不是安裝在建筑物的進(jìn)口處，就是在總配電箱里。為保證后續(xù)設(shè)備承受的剩余殘壓不過高，所以必須根據(jù)對(duì)保護(hù)范圍的性質(zhì)，安裝第二級(jí)保護(hù)。在下級(jí)配電設(shè)施中安裝過電壓放電器，作為二級(jí)保護(hù)措施，作為第三級(jí)保護(hù)是為了保護(hù)儀器設(shè)備，采取的方法是把過電壓放電器直接安裝在儀器的前端。在不同等級(jí)的放電器之間，必須遵守導(dǎo)線的最小長度規(guī)定。供電系統(tǒng)中雷擊電流放電器與過壓放電器之間的距離不得小于10m，過壓放電器同儀器設(shè)備保護(hù)裝置之間的導(dǎo)線距離則不應(yīng)低于5m。

　　2)三級(jí)保護(hù)器件

　　(1)充有惰性氣體的過電壓放電器

　　是自動(dòng)化控制系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛的一級(jí)浪涌保護(hù)器件。充有惰性氣體過電壓放電器，一般構(gòu)造的這類放電器可以排放20kA／μs或者2．5kA／μs以內(nèi)的瞬變電流。氣體放電器的響應(yīng)時(shí)間處于毫微秒范圍，其被廣泛地應(yīng)用于遠(yuǎn)程通信范疇。該器件的一個(gè)缺點(diǎn)是其觸發(fā)特性與時(shí)間相關(guān)，其上升時(shí)間的瞬變量同觸發(fā)特性曲線在幾乎與時(shí)間軸平行的范圍里相交。因此保護(hù)電平將同氣體放電器額定電壓相近。而特別快的瞬變量將同觸發(fā)曲線在十倍于氣體放電器額定電壓的工作點(diǎn)相交，也就是說，如果某個(gè)氣體放電器的最小額定電壓90V，那么線路中剩余的殘壓可高達(dá)900V。它的另一個(gè)缺點(diǎn)是可能會(huì)產(chǎn)生后續(xù)電流。在氣體放電器被觸發(fā)的情況下，尤其是在阻抗低、電壓超過24V的電路中會(huì)出現(xiàn)下列情況：原來希望維持幾個(gè)毫秒的短路狀態(tài)，會(huì)因?yàn)樵摎怏w放電器繼續(xù)保持下去，由此引起的后果可能是該放電器在幾分之一秒的時(shí)間內(nèi)炸碎。所以在應(yīng)用氣體放電器的過電壓保護(hù)電路中應(yīng)該串聯(lián)一個(gè)熔斷器，使得這種電路中的電流很快地被中斷。

　　(2)壓敏電阻

　　壓敏電阻被廣泛作為系統(tǒng)中的二級(jí)保護(hù)器件，因壓敏電阻在毫微秒時(shí)間范圍內(nèi)具有更快的響應(yīng)時(shí)間，不會(huì)產(chǎn)生后續(xù)電流的問題。在測控設(shè)備的保護(hù)電路中，壓敏電阻可以用于放電電流為2．5～5kA／μs的中級(jí)保護(hù)裝置。壓敏電阻的缺點(diǎn)是老化和較高的電容問題，老化是指壓敏電阻中二極管的P-N結(jié)部分，在通常過載情況下，P-N結(jié)會(huì)造成短路，其漏電流將因此而增大，其值的大小取決于承載的頻繁程度。其應(yīng)用于靈敏的測量電路中將造成測量失真，并且器件易發(fā)熱。壓敏電阻大電容問題使它在許多場合不能應(yīng)用于高頻信息傳輸線路，這些電容將同導(dǎo)線的電感一起形成低通環(huán)節(jié)，從而對(duì)信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的阻尼作用。不過，在30kHz以下的頻率范圍內(nèi)，這一阻尼作用是可以忽略。

　　(3)抑制二極管

　　抑制二極管一般用于高靈敏的電子回路，其響應(yīng)時(shí)間可達(dá)μμs級(jí)，而器件的限壓值可達(dá)額定電壓的1．8倍。其主要缺點(diǎn)是電流負(fù)荷能力很弱、電容相對(duì)較高，器件自身的電容隨著器件額定電壓變化，即器件額定電壓越低，電容則越大，這個(gè)電容也會(huì)同相連的導(dǎo)線中的電感構(gòu)成低通環(huán)節(jié)，而對(duì)數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生阻尼作用，阻尼程度與電路中的信號(hào)頻率相關(guān)。

　　4 過程通道抗干擾措施

　　由自動(dòng)化裝置構(gòu)成控制系統(tǒng)中必須妥善解決好接口信號(hào)的隔離，抑制傳輸過程中產(chǎn)生的各種干擾，才能使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。接口與過程通道是自動(dòng)化裝置和外部設(shè)備、被控對(duì)象進(jìn)行信息交換的渠道，對(duì)于接口和過程通道侵入的干擾主要是因公共地線引起。其次，在信號(hào)微弱和傳輸線路較長時(shí)還會(huì)受到靜電和電磁波的干擾。目前在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，對(duì)于數(shù)字輸入信號(hào)，大部分都利用光電隔離器，也有一些使用脈沖變壓器隔離和運(yùn)算放大器隔離。對(duì)于數(shù)字輸出信號(hào)也是主要采用光電隔離器。對(duì)于模擬量輸入信號(hào)，則許多場合下采用調(diào)制一解調(diào)式隔離放大器、運(yùn)算放大器等，模擬量輸出信號(hào)隔離則可采用直流電壓隔離法及變換隔離法等。

　　1)光電耦合技術(shù)

　　光電耦合器是利用光傳遞信息的，它是由輸入端的發(fā)光元件和輸出端的受光元件組成，輸入與輸出在電氣上是完全隔離的。其體積小、使用簡便，視現(xiàn)場干擾情況的不同，可以組成各種不同的線路對(duì)干擾進(jìn)行抑制。

　　(1)應(yīng)用于輸入輸出的隔離

　　光電耦合器用在輸入、輸出間隔離情況下，線路是很簡單的，由于避免形成地環(huán)路，而輸入與輸出的接地點(diǎn)也可以任意選擇。這種隔離的作用不僅可以用在數(shù)字電路中，也可以用在線性(模擬)電路中。

　　(2)用于消除與抑制噪聲

　　光電耦合器用于消除噪聲是從兩個(gè)方面體現(xiàn)的：一方面是使輸入端的噪聲不傳遞給輸出端，只是把有用信號(hào)傳送到輸出端。另一方面，由于輸入端到輸出端的信號(hào)傳遞是利用光來實(shí)現(xiàn)的，極間電容很小，絕緣電阻很大，因而輸出端的信號(hào)與噪聲也不會(huì)反饋到輸入端。使用光電耦合器時(shí)，應(yīng)注意這種光電耦合器本身有 10～30pF的分布電容，所以頻率不能太高。另外在接點(diǎn)輸入時(shí)，應(yīng)注意加RC濾波環(huán)節(jié)，抑制接點(diǎn)的抖動(dòng)。另外，用于低電壓時(shí)，其傳輸距離以1OOm以內(nèi)為限、傳輸速率在10kbps以下為宜。

　　2)脈沖變壓器隔離

　　脈沖變壓器原付邊繞組匝數(shù)很少，分別繞制在鐵氧體磁芯的兩側(cè)，分布電容僅幾微微法，可作為脈沖信號(hào)的隔離器件。對(duì)于模擬量輸入信號(hào)，由于每點(diǎn)的采樣周期很短，實(shí)際上的采樣波形也為一脈沖波形，也可實(shí)現(xiàn)隔離作用。這種脈沖變壓器隔離方式，線路中也應(yīng)加濾波環(huán)節(jié)抑制動(dòng)態(tài)常模干擾和靜態(tài)常模干擾，這種脈沖變壓器隔離方式已被用于幾MHz的信號(hào)電路中。

　　3)模／數(shù)變換隔離

　　模／數(shù)變換隔離電路，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中常在現(xiàn)場就地進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，利用模／數(shù)轉(zhuǎn)換器將易受干擾的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，在接收端在采用光電隔離，以增強(qiáng)其在信號(hào)傳輸過程中的抗干擾能力。而模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的安裝位置，怎樣才能有效地抑制干擾，是實(shí)際應(yīng)用中很具體的問題。對(duì)于在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用的環(huán)境中，一是可以考慮將模／數(shù)轉(zhuǎn)換器遠(yuǎn)離生產(chǎn)現(xiàn)場，放置主控室。二是將模／數(shù)轉(zhuǎn)換器放在生產(chǎn)現(xiàn)場，遠(yuǎn)離主控室，兩者各有利弊。

　　將模／數(shù)轉(zhuǎn)換器放置于主控室，便于把模／數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的數(shù)字信息傳送到控制系統(tǒng)的處理器，而主機(jī)的控制信息傳送給模／數(shù)轉(zhuǎn)換器也很方便，因而利于轉(zhuǎn)換器的管理。但由于模／數(shù)轉(zhuǎn)換器遠(yuǎn)離生產(chǎn)現(xiàn)場，使得模擬量傳輸線路過長，分布參數(shù)以及干擾的影響增加，而且易引起模擬信號(hào)衰減，直接影響轉(zhuǎn)換器的工作精度和速度。將轉(zhuǎn)換器放置于生產(chǎn)現(xiàn)場，雖然可解決上述問題，但數(shù)字信息傳輸線路過長，不便于轉(zhuǎn)換器的管理。這兩種方案的主要問題還在于，在控制系統(tǒng)與控制對(duì)象之間存在公共地線，即使采用同軸電纜作為傳輸媒介，也會(huì)有產(chǎn)生現(xiàn)場的干擾進(jìn)入計(jì)算機(jī)中，影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定工作。顯然這兩種方案都不適合在現(xiàn)場環(huán)境工作。為了有效地解決工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下，采用光電隔離是比較行之有效的方案。為保證模／數(shù)轉(zhuǎn)換器能可靠運(yùn)行，并獲得精確的測量結(jié)果，把模／數(shù)轉(zhuǎn)換器放在靠近現(xiàn)場一側(cè)。為了有效抑制干擾，采用雙套光電偶合器，使得模／數(shù)轉(zhuǎn)換器與主機(jī)之間的信息交換均經(jīng)過兩次電一光一電的轉(zhuǎn)換。一套光電耦合器放在模／數(shù)轉(zhuǎn)換器一側(cè)，一套光電耦合器放在主機(jī)一側(cè)。系統(tǒng)中有三個(gè)不同的地端，一是主機(jī)與I／O接口公用的“計(jì)算機(jī)地”，一個(gè)是傳輸長線使用的“浮空地”，另一個(gè)是模／數(shù)轉(zhuǎn)換器和被控對(duì)象公用的“現(xiàn)場地”。采用這種兩次光電隔離的辦法，把傳輸長線隔浮在主機(jī)與被控對(duì)象之間，不僅有效地消除了公共地線，抑制了由其引進(jìn)的干擾，而且也有利于解決長線驅(qū)動(dòng)與阻抗匹配的問題這樣就保證了整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。