过压保护在过程控制中的应用

李金波

(黑龙江省科学院自动化研究所，哈尔滨150090)

近30年以来，随着经济的快速发展，信息化设备得以广泛地应用，人们已经越来越离不开电力、测量和控制、信息通讯等设备，人们对使用这些设备已经习以为常，只有当这些设备发生故障的时候，才会感到它们是多么重要。然而，随着科技的进步，设备集成度的提高，其耐冲击能力却显著降低，导致因雷电产生的雷击电磁脉冲对电子设备的损害呈逐年上升趋势，同时电气系统的开关操作和静电放电(ESD)所产生的瞬态浪涌也对电子设备造成了极大的危害，尤其是在自动化领域，测控设备的过压保护更为重要，其中任何一个设备的损坏都有可能导致巨大的损失。

1 过压产生的原因［1］

瞬态过压主要来源于大气放电产生的雷电放电、设备开关过程的浪涌电压、静电放电现象和线路故障。

1.1 雷击放电

在雷击点将会产生很大的电流，由此产生巨大的电压降。就是对接地电阻非常小的建筑物和系统来说，产生的电压降也是非常大的，这个电压降可以通过直接传导、电感和电容耦合的方式由电源、测量设备或数据传输系统进入电气设备或电子设备内部。

1.2 开关动作产生的浪涌电压

因设备开关而产生过压的次数远远大于雷击产生的过压次数，尤其是主回路的大电流开关动作会产生明显的过压。设备开关产生过压的原因在于开关的结构，断开或接通电流开关触点的动作并不同交流电电流的回零点同步，在电流断开的时候有一个非常快速的电流变化，从一个很大的值到一个零值(di/dt)。因为电路中有阻抗的存在，这将产生一个高频和高压尖峰的浪涌电压，这个浪涌电压将通过直接、电感、电容耦合的方式到达电气元件，对这些元件造成损伤或彻底地破坏。当电路接通时也会因为电流的快速变化产生过压。

1.3 静电放电现象

众所周知静电放电现象是由摩擦积聚的电荷产生的。我们经常会碰到这种现象，比如说当你走过地毯时，经常会有被电击的感觉，这些积累的电荷可达到上万伏。当这些电荷向低电位释放的时候，我们把它叫作静电放电(ESD)。如果这些电荷冲击到电气元件时，通常会造成电气元件的彻底损坏。

1.4 线路故障

在50/60 H主回路中经常会发生线路故障，也许是电源设备的故障或机柜的错误接线。而这些故障通常也会使线路中产生高电压。

2 测控系统引入过压的途径

2.1 直接耦合

过压通过共同的接地阻抗直接进入线路中，如图1所示。过压的数值是由雷击的电流和接地电阻的大小来决定的。过压的频率和波形曲线取决于线路的电感值和电流上升的速率，甚至一定距离外的雷击也可通过电波的传播导致过压，这个过压通过直接耦合来影响电气系统的不同部分。

图1 直接耦合Fig.1 Direct coupling

2.2 电感耦合

一个大电流的雷击会产生一个强大的电磁场，如图2所示。在这个电磁场内的导体(比如:接地线、电源线、数据线等)会通过电磁感应产生一个过压，根据变压器原理，通过电感耦合的电压取决于高频电流的变化率di/dt—当原边和副边只有一根导线时(即电感非常低的时候)，也能感应出很大的电压。

图2 电感耦合Fig.2 Inductive coupling

2.3 电容耦合

过压的电容耦合也是可能的，如图3所示。当一根导线受到过压时，会和相邻的低电位导线产生一个很强的电场，电场内的电子移动最终导致高电位导线向低电位导线放电，使低电位导线同样受到过压的冲击。

3 过程控制中过压保护的原理［2］

过压保护的基本原理是:在瞬态过压存在的极短时间内，在被保护区域内的所有导电部件之间建立起一个等电位。在保护的区域内，所有导电部件都可认为具有接近相等或绝对相等的电位，因而不存在显著的电位差。在测控系统中经常遇到的是数字信号和模拟信号，对于这两类的信号是我们设计保护的重点。

图3 电容耦合Fig.3 Capacitive coupling

3.1 数字信号

数字信号大多是两线制的信号，会有一个基准电位。这些通常来自于数字量的传感器、执行器和显示仪表，比如限位开关、探针、光电栅、接触器、电磁阀和告警灯。这些信号的参考点可以是接地点也可以不是，这取决于保护方式。数字信号通常会受到的是共模干扰。共模干扰是指导体和参考点(接地点)之间产生的干扰电压，主要由电容耦合的方式产生，如图4所示。从电流的方向和路径来看，共模电流是在两根导线上以相同的方向流动的，它们的返回路径都是地线。

图4 共模干扰Fig.4 Common code interference

3.2 模拟信号

模拟信号大多也会是两线制的电压或电流回路信号，不带有公共参考点，就像4～20mA电流信号一样。模拟信号通常受到的是差模干扰。差模干扰是指导体和导体之间产生的干扰电压，这要由电感耦合和直接耦合方式产生，如图5所示。从电流的方向和路径来看，差模电流是在两根导线上以相反的方向流动。

图5 差模干扰Fig.5 Differential-mode interference

4 过压保护在测控系统中的工程实践

某自来水厂，周边空阔，建筑物少，水厂在设计和建设时，多考虑建筑物和高压配电系统的防雷保护，近几年来水厂都普遍改用自动化控制，增加了很多诸如PLC、在线仪表、闭路监控、网络设备等一批微电子、智能化设备仪表，这些弱电设备内部结构高度集成化，从而造成设备耐压、耐过电流的水平下降，对过压的承受能力明显下降;另一方面由于信号来源路径增多，系统较以前更容易过压侵入。

为了防止过压破坏高灵敏度电气设备，在过压到达敏感的电气元件之前使用短路的方法将过压对地释放掉，因此我们在本项目系统设计和工程实施过程中，要多方面考虑各种因素，做好防护。

4.1 信号系统的防护

(1)水厂电动阀门上的限位开关通常用来检测阀门开启的位置，而且现场的环境都非常的恶劣。比如当限位开关被激活时，马达迅速反向转动时会在电网中产生很大的干扰，因此我们使用的是 Weidmuller的 MCZ OVP SL 24Vdc0.5A过压保护器，如图6所示，可以保护两个控制器输入信号，每一路都通过气体放电管、压敏电阻和抑制二级管接地，提供过压保护。

图6 MCZ OVP SL 24Vdc0.5A过压保护器Fig.6 MCZ OVP SL 24Vdc0.5A overvoltage protector

(2)水厂中还有很多液位需要测量，测量容器液位时，传感器需要输入24 V供电电源，输出对应于液位的4～20 mA信号到控制器。由于传感器和控制器之间的距离非常的长而且暴露在外面，这时要在传感器前和控制器前加上过压保护元件，我们使用的是Weidmuller的MCZ OVP CL 24 Vdc0.5 A 端子式过压保护器［3］，如图7 所示，当卡装到导轨的同时，MCZ端子式过压保护器就和接地点联结在一起了。

我们采购的所有过压保护产品都有一个接地端子，联结到等电位带的接地线必须连到这一点。接地线的导线截面应尽量大，而且到接地排的长度要尽量的短，每1 cm地线长度的增加都会使过压保护器件的残压上升。

4.2 正确使用屏蔽电缆

不正确的接地或没有使用效果良好的部件，都会降低保护的效果或根本无效。实践证明，在任意一点将屏蔽层接地是远远不够的，因为有时选定的接地点并不能消除高频干扰产生的影响。

图7 MCZ OVP CL 24 Vdc0.5 A过压保护器Fig.7 MCZ OVP CL 24Vdc0.5A overvoltage protector

屏蔽层不能连接到设备工作地上，而应连接到保护地上。如果外壳没有接地，屏蔽层需要联结到一个单独的接地点。接地回路电阻越小，通过电感耦合产生的干扰电压也越小。下面的简图是屏蔽层一端和保护地之间常使用的联结方法，如图8所示，用来消除因电容耦合产生的干扰电压。

图8 屏蔽层一端接地Fig.8 Shielding layer grounded at one end

当长距离联结屏蔽电缆时，比如当现场的传感器必须联结到控制室中，两个接地点的电位差不能被忽视。我们采用的方法是将现场侧和控制室内的接地点通过一根均压线联结起来，屏蔽层两端接地，如图9所示，用来消除因电感耦合产生的干扰电压。

图9 屏蔽层两端接地Fig.9 Shielding layer grounded on both ends

4.3 电气柜的内部部件的分区

钢制的电气柜具有很好的磁场屏蔽特性。我们将过压保护器件安装在线缆的进线侧，即最靠近电缆进入点的导轨上，这样过压在进入机柜处就被释放掉了，就可以防止外部的干扰电压耦合入机柜。同时在机柜敷设的信号电缆联到过压保护器的距离要短，特别是数据电缆，然后再接到设备。也要将被保护和未被保护的线缆隔开，敏感的信号电缆在布线时要同干扰源分开。在这里接地线被定义为未保护线，在布线区域或线缆槽内可以使用金属隔板来获得隔离的效果，如果信号线缆和电力线缆是平行敷设时，两者之间的距离至少为500 mm，将屏蔽电缆直接接入设备，并将屏蔽层同设备相联。

5 小结

过压保护已成为电磁兼容研究的重要方面，同时也被列入了相应的政策法规中。测控系统各种线路伸入到工厂的各种环境之中，采用任何一种单一的过压保护方式都有难以保证其安全，必须采取综合防护的措施，才能确保精密电子设备和信息网络的正常运行。

［1］喻剑辉，张元芳.高电压技术［M］.北京:中国电力出版社，2006.

［2］平绍勋.电力系统内部过压保护及实例分析［M］.北京:中国电力出版社，2006.