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隨著(zhù)科技的不斷發(fā)展，人類(lèi)已步入信息社會(huì )，計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的普及使辦公大樓、寫(xiě)字樓、醫院、銀行、賓館等建筑離不開(kāi)綜合布線(xiàn)系統。配置綜合布線(xiàn)系統，猶如為建筑物建立了一個(gè)高速、大容量的信息傳送平臺，為建筑智能化提供了快速的信息通道。計算機、程控交換機、 CATV等微電子設備日益增多，而微電子器件承受雷電電磁脈沖能力較差，因此，雷害事故不斷發(fā)生。我國每年因雷擊破壞建筑物內計算機網(wǎng)絡(luò )系統的事件時(shí)有發(fā)生，造成的損失是非常巨大的。因此綜合布線(xiàn)系統的防雷設計就顯得尤其重要。 雷電入侵電器設備的形式有兩種：直擊雷和感應雷。雷電直接擊中線(xiàn)路并經(jīng)過(guò)電器設備入地的雷擊過(guò)電流稱(chēng)為直擊雷；由雷閃電流產(chǎn)生的強大電磁場(chǎng)變化與導體感應出的過(guò)電壓、過(guò)電流形成的雷擊稱(chēng)為感應雷。 目前，在建筑物防雷系統設計上，執行國家標準GB50057-94《建筑物防雷設計規范》，將由避雷網(wǎng)(帶)、避雷針或混合組成的接閃器，立柱基礎的鋼筋網(wǎng)與鋼屋架，屋面板鋼筋等構成一個(gè)整體，避雷網(wǎng)通過(guò)全部立柱基礎的鋼筋作為接地體，將強大的雷電流人大地。計算機系統安置在建筑物內，受建筑物防雷系統保護，直擊雷擊中計算機網(wǎng)絡(luò )系統的可能性非常小，計算機設備抗直擊雷能力很低，防護設備非常昂貴，通常不必安裝防護直擊雷的設備，而計算機網(wǎng)絡(luò )必須防感應雷和雷電浪涌電壓。 1 干擾途徑與耦合機制 產(chǎn)生干擾必須具備三個(gè)條件：干擾源、干擾通道、易受干擾設備。 干擾源分為內部和外部。內部主要是裝置原理和產(chǎn)品質(zhì)量等。外部主要由使用條件和環(huán)境因素決定。 干擾通道有傳導耦合、公共阻抗耦合和電磁耦合三種。 由于設備采用敏感元件的選用和結構布局等不盡合理，造成本身抗干擾能力差。對干擾加以抑制，降低其幅度，減少其影響力，這是在外部環(huán)境采取措施加以改善。 1)干擾途徑 感應雷可由靜電感應產(chǎn)生，也可由電磁感應產(chǎn)生，形成感應雷電壓的機率很高，對建筑物內的弱電設備威脅巨大，計算機網(wǎng)絡(luò )系統及電話(huà)程控交換機的防雷工作重點(diǎn)是防止感應雷入侵。入侵計算機網(wǎng)絡(luò )系統的雷電過(guò)電壓過(guò)電流主要有以下三個(gè)途徑： (1)由交流電220V電源供電線(xiàn)路入侵 計算機系統的電源由電力線(xiàn)路輸入室內，電力線(xiàn)路可能遭受直擊雷和感應雷。直擊雷擊中高壓電力線(xiàn)路，經(jīng)過(guò)變壓器耦合到220V低壓，入侵計算機供電設備；另外低壓線(xiàn)路也可能被直擊雷擊中或感應雷過(guò)電壓。在220V電源線(xiàn)上出現的雷電過(guò)電壓平均可達10 000V，對計算機網(wǎng)絡(luò )系統可造成毀滅性打擊。電源干擾復雜性中眾多原因之一就是包含著(zhù)很多可變因素，電源干擾以“共�！被颉安钅！狈绞酱嬖�。 “共�！备蓴_是指電源線(xiàn)與大地或中性線(xiàn)與大地之間的電位差。 “差�！备蓴_存在于電源相線(xiàn)與中性線(xiàn)之間。對三相電源來(lái)講，還存在于相線(xiàn)與相線(xiàn)之間。電源干擾復雜性中的第二個(gè)原因是干擾情況可以從持續周期很短暫的尖峰干擾到全失電之間的變化。電源干擾的類(lèi)型見(jiàn)表1。 電源干擾進(jìn)入設備的途徑；一是電磁耦合；二是電容耦合：三是直接進(jìn)入。 (2)由計算機通信線(xiàn)路入侵可分為三種情況 ①當地面突出物遭直擊雷打擊時(shí)，強雷電壓將鄰近土壤擊穿，雷電流直接入侵到電纜外皮，進(jìn)而擊穿外皮，使高壓入侵線(xiàn)路。 ②雷云對地面放電時(shí)，在線(xiàn)路上感應出上千伏的過(guò)電壓，擊壞與線(xiàn)路相連的電器設備，通過(guò)設備連線(xiàn)侵入通信線(xiàn)路。這種入侵沿通信線(xiàn)路傳播，涉及面廣，危害范圍大。 ③若通過(guò)一條多芯電纜連接不同來(lái)源的導線(xiàn)或者多條電纜平行鋪設時(shí)，當某一導線(xiàn)被雷電擊中時(shí)，會(huì )在相鄰的導線(xiàn)感應出過(guò)電壓，擊壞低壓電子設備。 (3)地電位反擊電壓通過(guò)接地體入侵 雷擊時(shí)強大的雷電流經(jīng)過(guò)引下線(xiàn)和接地體泄入大地，在接地體附近呈放射型的電位分布，若有連接電子設備的其他接地體靠近時(shí)，即產(chǎn)生高壓地電位反擊，入侵電壓可高達數萬(wàn)伏。建筑物防直擊雷的避雷引入了強大的雷電流通過(guò)引下線(xiàn)入地，在附近空間產(chǎn)生強大的電磁場(chǎng)變化，會(huì )在相鄰的導線(xiàn)(包括電源線(xiàn)和信號線(xiàn))上感應出雷電過(guò)電壓，因此建筑物避雷系統不但不能保護計算機，反而可能引入雷電。計算機網(wǎng)絡(luò )系統等設備的集成電線(xiàn)芯片耐壓能力很弱，通常在100V以多級層保護。 3)電源部分防護 弱電設備的電源雷電侵害主要是通過(guò)線(xiàn)路侵入。高壓部分有專(zhuān)用高壓避雷裝置，電力傳輸線(xiàn)把對地的電壓限制到小于6000V(IEEEEC62．41)，而線(xiàn)對線(xiàn)則無(wú)法控制。所以，對380V低壓線(xiàn)路應進(jìn)行過(guò)電壓保護，按國家規范應有三部分：建議在高壓變壓器后端到二次低壓設備的總配電盤(pán)間的電纜內芯線(xiàn)兩端應對地加避雷器或保護器，作一級保護；在二次低壓設備的總配電盤(pán)至二次低壓設備的配電箱間電纜內芯線(xiàn)兩端應對地加裝避雷器保護器，作二級保護；在所有重要、精密的設備以及UPS的前端應對地加裝避雷器或保護器，作為三級保護。目的是用分流(限幅)技術(shù)即采用高吸收能量的分流設備(避雷器)將雷電過(guò)電壓(脈沖)能量分流泄入大地，達到保護目的。分流(限幅)技術(shù)中采用防護器的品質(zhì)、性能的好壞是直接關(guān)系網(wǎng)絡(luò )保護的關(guān)鍵，因此，選擇合格優(yōu)良的避雷器或保護器至關(guān)重要。 4)信號部分保護 對于信息系統，應分為粗保護和精細保護。粗保護量級根據所屬保護區的級別確定，精細保護要根據電子設備的敏感度來(lái)進(jìn)行確定。 3 綜合浪涌保護系統組合 1)三級保護 對于自動(dòng)化控制系統的所需浪涌保護應在系統設計中進(jìn)行綜合考慮，針對自動(dòng)化控制裝置的特性，應用于該系統的浪涌保護器基本上可以分為三級，對于自動(dòng)化控制系統的供電設備來(lái)說(shuō)，需要雷擊電流放電器、過(guò)壓放電器以及終端設備保護器。數據通信和測控技術(shù)的接口電路，比各終端的供電系統電路顯然要靈敏得多，所以必須對數據接口電路進(jìn)行細保護。 自動(dòng)化裝置的供電設備的第一級保護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。為保證后續設備承受的剩余殘壓不過(guò)高，所以必須根據對保護范圍的性質(zhì)，安裝第二級保護。在下級配電設施中安裝過(guò)電壓放電器，作為二級保護措施，作為第三級保護是為了保護儀器設備，采取的方法是把過(guò)電壓放電器直接安裝在儀器的前端。在不同等級的放電器之間，必須遵守導線(xiàn)的最小長(cháng)度規定。供電系統中雷擊電流放電器與過(guò)壓放電器之間的距離不得小于10m，過(guò)壓放電器同儀器設備保護裝置之間的導線(xiàn)距離則不應低于5m。 2)三級保護器件 (1)充有惰性氣體的過(guò)電壓放電器 是自動(dòng)化控制系統中應用較廣泛的一級浪涌保護器件。充有惰性氣體過(guò)電壓放電器，一般構造的這類(lèi)放電器可以排放20kA／μs或者2．5kA／μs以?xún)鹊乃沧冸娏�。氣體放電器的響應時(shí)間處于毫微秒范圍，其被廣泛地應用于遠程通信范疇。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(xiàn)在幾乎與時(shí)間軸平行的范圍里相交。因此保護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(xiàn)在十倍于氣體放電器額定電壓的工作點(diǎn)相交，也就是說(shuō)，如果某個(gè)氣體放電器的最小額定電壓90V，那么線(xiàn)路中剩余的殘壓可高達900V。它的另一個(gè)缺點(diǎn)是可能會(huì )產(chǎn)生后續電流。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(guò)24V的電路中會(huì )出現下列情況：原來(lái)希望維持幾個(gè)毫秒的短路狀態(tài)，會(huì )因為該氣體放電器繼續保持下去，由此引起的后果可能是該放電器在幾分之一秒的時(shí)間內炸碎。所以在應用氣體放電器的過(guò)電壓保護電路中應該串聯(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中的二級保護器件，因壓敏電阻在毫微秒時(shí)間范圍內具有更快的響應時(shí)間，不會(huì )產(chǎn)生后續電流的問(wèn)題。在測控設備的保護電路中，壓敏電阻可以用于放電電流為2．5～5kA／μs的中級保護裝置。壓敏電阻的缺點(diǎn)是老化和較高的電容問(wèn)題，老化是指壓敏電阻中二極管的P-N結部分，在通常過(guò)載情況下，P-N結會(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(wèn)題使它在許多場(chǎng)合不能應用于高頻信息傳輸線(xiàn)路，這些電容將同導線(xiàn)的電感一起形成低通環(huán)節，從而對信號產(chǎn)生嚴重的阻尼作用。不過(guò)，在30kHz以下的頻率范圍內，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，其響應時(shí)間可達μμs級，而器件的限壓值可達額定電壓的1．8倍。其主要缺點(diǎn)是電流負荷能力很弱、電容相對較高，器件自身的電容隨著(zhù)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 )同相連的導線(xiàn)中的電感構成低通環(huán)節，而對數據傳輸產(chǎn)生阻尼作用，阻尼程度與電路中的信號頻率相關(guān)。 4 過(guò)程通道抗干擾措施 由自動(dòng)化裝置構成控制系統中必須妥善解決好接口信號的隔離，抑制傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的各種干擾，才能使系統穩定可靠運行。接口與過(guò)程通道是自動(dòng)化裝置和外部設備、被控對象進(jìn)行信息交換的渠道，對于接口和過(guò)程通道侵入的干擾主要是因公共地線(xiàn)引起。其次，在信號微弱和傳輸線(xiàn)路較長(cháng)時(shí)還會(huì )受到靜電和電磁波的干擾。目前在自動(dòng)化控制系統中，對于數字輸入信號，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算放大器隔離。對于數字輸出信號也是主要采用光電隔離器。對于模擬量輸入信號，則許多場(chǎng)合下采用調制一解調式隔離放大器、運算放大器等，模擬量輸出信號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(jiǎn)便，視現場(chǎng)干擾情況的不同，可以組成各種不同的線(xiàn)路對干擾進(jìn)行抑制。 (1)應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(xiàn)路是很簡(jiǎn)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字電路中，也可以用在線(xiàn)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，只是把有用信號傳送到輸出端。另一方面，由于輸入端到輸出端的信號傳遞是利用光來(lái)實(shí)現的，極間電容很小，絕緣電阻很大，因而輸出端的信號與噪聲也不會(huì )反饋到輸入端。使用光電耦合器時(shí)，應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)，應注意加RC濾波環(huán)節，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?xún)葹橄�、傳輸速率�?0kbps以下為宜。 2)脈沖變壓器隔離 脈沖變壓器原付邊繞組匝數很少，分別繞制在鐵氧體磁芯的兩側，分布電容僅幾微微法，可作為脈沖信號的隔離器件。對于模擬量輸入信號，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)現隔離作用。這種脈沖變壓器隔離方式，線(xiàn)路中也應加濾波環(huán)節抑制動(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的信號電路中。 3)模／數變換隔離 模／數變換隔離電路，在自動(dòng)化控制系統中常在現場(chǎng)就地進(jìn)行模／數轉換，利用模／數轉換器將易受干擾的模擬信號轉換為數字信號進(jìn)行傳輸，在接收端在采用光電隔離，以增強其在信號傳輸過(guò)程中的抗干擾能力。而模／數轉換器的安裝位置，怎樣才能有效地抑制干擾，是實(shí)際應用中很具體的問(wèn)題。對于在工業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)應用的環(huán)境中，一是可以考慮將模／數轉換器遠離生產(chǎn)現場(chǎng)，放置主控室。二是將模／數轉換器放在生產(chǎn)現場(chǎng)，遠離主控室，兩者各有利弊。 將模／數轉換器放置于主控室，便于把模／數轉換器產(chǎn)生的數字信息傳送到控制系統的處理器，而主機的控制信息傳送給模／數轉換器也很方便，因而利于轉換器的管理。但由于模／數轉換器遠離生產(chǎn)現場(chǎng)，使得模擬量傳輸線(xiàn)路過(guò)長(cháng)，分布參數以及干擾的影響增加，而且易引起模擬信號衰減，直接影響轉換器的工作精度和速度。將轉換器放置于生產(chǎn)現場(chǎng)，雖然可解決上述問(wèn)題，但數字信息傳輸線(xiàn)路過(guò)長(cháng)，不便于轉換器的管理。這兩種方案的主要問(wèn)題還在于，在控制系統與控制對象之間存在公共地線(xiàn)，即使采用同軸電纜作為傳輸媒介，也會(huì )有產(chǎn)生現場(chǎng)的干擾進(jìn)入計算機中，影響整個(gè)系統的可靠穩定工作。顯然這兩種方案都不適合在現場(chǎng)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／數轉換器能可靠運行，并獲得精確的測量結果，把模／數轉換器放在靠近現場(chǎng)一側。為了有效抑制干擾，采用雙套光電偶合器，使得模／數轉換器與主機之間的信息交換均經(jīng)過(guò)兩次電一光一電的轉換。一套光電耦合器放在模／數轉換器一側，一套光電耦合器放在主機一側。系統中有三個(gè)不同的地端，一是主機與I／O接口公用的“計算機地”，一個(gè)是傳輸長(cháng)線(xiàn)使用的“浮空地”，另一個(gè)是模／數轉換器和被控對象公用的“現場(chǎng)地”。采用這種兩次光電隔離的辦法，把傳輸長(cháng)線(xiàn)隔浮在主機與被控對象之間，不僅有效地消除了公共地線(xiàn)，抑制了由其引進(jìn)的干擾，而且也有利于解決長(cháng)線(xiàn)驅動(dòng)與阻抗匹配的問(wèn)題這樣就保證了整個(gè)控制系統的可靠運行。 |
