第5章控制室网格屏蔽模片

1、1控制室格栅形屏蔽的设计计算控制室格栅形屏蔽的设计计算徐义亨徐义亨浙江中控技术股份有限公司浙江中控技术股份有限公司2内容提要内容提要 本章以抗雷电电磁脉冲干扰为例，按下列情况讨论本章以抗雷电电磁脉冲干扰为例，按下列情况讨论控制室屏蔽的设计计算：控制室屏蔽的设计计算： 已知控制系统的脉冲磁场抗扰度已知控制系统的脉冲磁场抗扰度，求屏蔽网格的宽，求屏蔽网格的宽度度W W等参数。等参数。31 1 问题的提出问题的提出 电磁干扰电磁干扰是困扰控制系统正常运行的严重问题，在控制室内是困扰控制系统正常运行的严重问题，在控制室内的控制系统往往会受到下列几种电磁干扰：的控制系统往往会受到下列几种电磁干扰： 1

2、1）工频磁场工频磁场 它一般由周围工频电流产生的，极少量的是由附它一般由周围工频电流产生的，极少量的是由附近变压器的漏磁通所产生。近变压器的漏磁通所产生。 2 2）直流磁场直流磁场 它一般由周围的直流电流产生的，如生产规模为它一般由周围的直流电流产生的，如生产规模为43,000t/a43,000t/a烧碱装置的离子膜电解槽，最大电流可达烧碱装置的离子膜电解槽，最大电流可达11.2511.25万安培。万安培。 3 3）脉冲磁场脉冲磁场 它是由雷击建筑物和其它金属构架（包括天线杆、它是由雷击建筑物和其它金属构架（包括天线杆、引下线、接地体和接地网）以及在低压、中压和高压电力系统中因故障的引下线、接

3、地体和接地网）以及在低压、中压和高压电力系统中因故障的起始暂态产生的，也可以在高压变电所，因断路器切合高压母线和高压线起始暂态产生的，也可以在高压变电所，因断路器切合高压母线和高压线路时产生。它的波前时间和半波时间都是微秒级的。路时产生。它的波前时间和半波时间都是微秒级的。 4 4 4）射频电磁场射频电磁场 对讲机、手机等各种发射机，以及周围的电焊机、晶对讲机、手机等各种发射机，以及周围的电焊机、晶闸管整流器、荧光灯等都会产生这种电磁辐射影响在控制室内的控制系统闸管整流器、荧光灯等都会产生这种电磁辐射影响在控制室内的控制系统的正常运行。它的频率范围一般指的正常运行。它的频率范围一般指150kH

4、z-1000MHz150kHz-1000MHz。 5 5）阻尼振荡磁场阻尼振荡磁场 如控制室附近有高压变电所的话，那么当隔离刀闸如控制室附近有高压变电所的话，那么当隔离刀闸切合高压母线时，就会产生衰减的振荡磁场。其频率范围为切合高压母线时，就会产生衰减的振荡磁场。其频率范围为30kHz-10MHz30kHz-10MHz。 上述几种磁场的影响上述几种磁场的影响以雷电电磁干扰的威胁为最以雷电电磁干扰的威胁为最。 5 强大的雷击电磁脉冲的危害：强大的雷击电磁脉冲的危害： 1 1）轻则会把微小的信号掩盖掉以至系统无法识别，也可以使显示器的）轻则会把微小的信号掩盖掉以至系统无法识别，也可以使显示器的图象

5、畸变抖动；图象畸变抖动； 2 2）重则会造成控制系统的失效或损坏；）重则会造成控制系统的失效或损坏； 3 3）使存储在）使存储在EPROMEPROM里的程序丢失，迫使生产装置停车。里的程序丢失，迫使生产装置停车。6控制室的屏蔽方式：控制室的屏蔽方式： 1 1）建筑物的自身屏蔽建筑物的自身屏蔽 建筑物自身对屏蔽有一定的功能，但建筑物自身对屏蔽有一定的功能，但效果不甚理想；效果不甚理想； 2 2）金属网格的格栅形大空间屏蔽金属网格的格栅形大空间屏蔽 可以通过网格宽度的选择可以通过网格宽度的选择来满足控制系统的需要，最为实用。来满足控制系统的需要，最为实用。 3 3）用金属板材围成的壳体屏蔽用金属板

6、材围成的壳体屏蔽 屏蔽效果好，但投资也大，屏蔽效果好，但投资也大，适用于实验室装置。适用于实验室装置。7 整个设计计算可分下列整个设计计算可分下列两类命题两类命题：1 1）已知屏蔽网格，求磁场强度的衰减是否符合控制系统的脉冲磁场）已知屏蔽网格，求磁场强度的衰减是否符合控制系统的脉冲磁场抗扰度。抗扰度。2 2）已知控制系统的脉冲磁场抗扰度，求屏蔽网格的宽度）已知控制系统的脉冲磁场抗扰度，求屏蔽网格的宽度W W等参数。等参数。 前者为前者为分析分析所需，后者为所需，后者为设计设计所用。所用。 对控制室的网格屏蔽，对控制室的网格屏蔽，IEC 61312-21IEC 61312-21和和IEC 623

7、05-43IEC 62305-43给给出了第一类命题的计算方法。本章以控制室为例，提出第二类命题出了第一类命题的计算方法。本章以控制室为例，提出第二类命题的计算方法。的计算方法。82 2 计算步骤计算步骤（1 1）在闪电击于控制室以外时）在闪电击于控制室以外时 9 在无屏蔽时的磁场强度：在无屏蔽时的磁场强度： H Ho o = = i io o（2 2S Sa a） （A Am m ） （1） 式中i io o雷电流（雷电流（A A）；）； S Sa a雷击点与屏蔽空间之间的平均距离（雷击点与屏蔽空间之间的平均距离（m m）。）。10 根据根据IEC 62305-4IEC 62305-4建筑物

8、电气和电子系统的防雷建筑物电气和电子系统的防雷 ，对控制系统之类的电对控制系统之类的电子信息系统，可以按雷电防护等级取值。下表列出了不同雷电防护等级所对子信息系统，可以按雷电防护等级取值。下表列出了不同雷电防护等级所对应的雷电流峰值。应的雷电流峰值。雷电防护等级雷电防护等级ABCD电流峰值电流峰值 kA20015010010011 雷击点与屏蔽空间之间的雷击点与屏蔽空间之间的平均距离平均距离S Sa a可以按下述三种情况取值：可以按下述三种情况取值：A.A.如附近有突出的高层建筑物或最高设备，宜取最高建筑物或最高如附近有突出的高层建筑物或最高设备，宜取最高建筑物或最高设备离需屏蔽的控制室中心点

9、的平面直线距离；设备离需屏蔽的控制室中心点的平面直线距离；B.B.如有多个高层建筑物或最高设备，宜取离控制室中心点最近的平面如有多个高层建筑物或最高设备，宜取离控制室中心点最近的平面直线距离。直线距离。C.C.如附近没有突出的高层建筑物或较高的设备，宜按后面式（如附近没有突出的高层建筑物或较高的设备，宜按后面式（4 4）和）和(5(5），即闪电直接击在屏蔽空间上的情况进行计算。），即闪电直接击在屏蔽空间上的情况进行计算。12(2(2）若已知控制系统的）若已知控制系统的脉冲磁场抗扰度为脉冲磁场抗扰度为HaHa。当有屏蔽时，在具有。当有屏蔽时，在具有网格屏蔽的空间内，即控制室内的磁场强度应从网格屏

10、蔽的空间内，即控制室内的磁场强度应从HoHo衰减为衰减为HaHa，按下，按下式可计算出需要的式可计算出需要的屏蔽系数屏蔽系数： SF=20 log(H0/Ha) (dB) (2)13 （3 3）按下表可求出格栅形屏蔽的网格宽度）按下表可求出格栅形屏蔽的网格宽度W W。表中：表中：ww屏蔽的网格宽（屏蔽的网格宽（m m）；）； rr屏蔽网格导体的半径（屏蔽网格导体的半径（m m）。）。注：注： 1 1 如计算出的如计算出的SFSF为负值时，取为负值时，取SF=0SF=0； 2 2 若建筑物具有网格形等电位连接网络，若建筑物具有网格形等电位连接网络，SFSF可增加可增加6dB6dB。 3 3 相对

11、磁导系数相对磁导系数r200r200。材料材料 W W（m m） 25kHz25kHz（首次雷击） 1MHz1MHz（后续雷击） 铜铜/ /铝铝 10 10 10 10 钢钢（见注3） 10 10 10 10 ）（20/93. 0SF）（20/93. 0SF）（20/93. 0SF）（20/1018193. 026rSF14 (4) (4)上表的计算值仅对在控制室内距屏蔽层有一安全距离上表的计算值仅对在控制室内距屏蔽层有一安全距离d dS/1S/1（即控制系统机柜离屏蔽层的最小安全距离）的安全空间（即控制系统机柜离屏蔽层的最小安全距离）的安全空间V VS S内才有内才有效（见图），效（见图），

12、d dS/1S/1应按下式计算：应按下式计算： 当当SF10SF10时，时， d dS/1S/1 = WSF = WSF10 (m) 10 (m) 当当SFSF1010时，时， d dS/1S/1 = W (m) = W (m) （3 3） 式中式中WW格栅形屏蔽的网格宽（格栅形屏蔽的网格宽（m m）。）。15在在LPZ 1LPZ 1或或LPZ nLPZ n区内放仪表设备的空间区内放仪表设备的空间屏蔽dS/1或dS/2VS屏蔽安放仪表设备的空间VSLPZ1或LPZn16（5 5）当闪电直接击在直接雷非防护区）当闪电直接击在直接雷非防护区LPZ0ALPZ0A的网格空间屏蔽的情况的网格空间屏蔽的情

13、况下，如第一防护区下，如第一防护区LPZ1LPZ1其内部其内部VsVs空间内某点的磁场强度要小于控制空间内某点的磁场强度要小于控制系统的脉冲磁场抗扰度系统的脉冲磁场抗扰度HaHa的话，则网格宽的话，则网格宽W W可按下式计算：可按下式计算： W W H Haad dw w （k kH Hi io o） （m m） （4 4）式中式中d dr r被考虑的点距被考虑的点距LPZ1LPZ1区屏蔽顶的最短距离（区屏蔽顶的最短距离（m m）；）； d dw w被考虑的点距被考虑的点距LPZ1LPZ1区屏蔽壁的最短距离（区屏蔽壁的最短距离（m m） k kH H形状系数（形状系数（1 1 ），取），取k

14、kH H =0.01 =0.01（1 1 ）。）。（注：形状系数（注：形状系数k kH H中的（中的（1 1 ）为其单位。）为其单位。）mmmrd17 式（式（4 4）的计算值仅对距屏蔽格栅有一安全距离）的计算值仅对距屏蔽格栅有一安全距离d ds/2s/2的空的空间间VsVs内有效，内有效，d ds/2s/2应符合下式的要求：应符合下式的要求： d ds/2s/2 = W = W (m) (m) （5 5） 控制设备应仅安装在控制设备应仅安装在VsVs空间内。空间内。183 3 控制系统的脉冲磁场抗扰度的取值控制系统的脉冲磁场抗扰度的取值 在进行网格空间的屏蔽计算时，控制系统的在进行网格空间的

15、屏蔽计算时，控制系统的脉冲磁场抗扰度脉冲磁场抗扰度HaHa应按制造商提供的脉冲磁场抗扰度的试验等级取值应按制造商提供的脉冲磁场抗扰度的试验等级取值。但是，目前许。但是，目前许多制造商不提供这个数据。所以下面我们讨论在设计时如何取值。多制造商不提供这个数据。所以下面我们讨论在设计时如何取值。19 IEC IEC标准和国家标准标准和国家标准GB/T 17626.9-1999 GB/T 17626.9-1999 电磁兼容电磁兼容 试验和测试验和测量技术量技术 脉冲磁场抗扰度试验（脉冲磁场抗扰度试验（idtidt IEC 61000-4-9:1993 IEC 61000-4-9:1993）规规定了电气

16、和电子设备对由雷击建筑物产生的脉冲磁场的抗扰度的试定了电气和电子设备对由雷击建筑物产生的脉冲磁场的抗扰度的试验方法和推荐的试验等级范围。验方法和推荐的试验等级范围。 该标准规定的脉冲磁场的试验等级如下表所示。试验磁场的波该标准规定的脉冲磁场的试验等级如下表所示。试验磁场的波形为形为6.4/16s6.4/16s的标准电流脉冲波形。磁场强度用的标准电流脉冲波形。磁场强度用A/mA/m表示，表示，1A/m1A/m相当相当于自由空间的磁通量密度为于自由空间的磁通量密度为1.26T1.26T。20等等 级级 脉冲磁场强度的峰值脉冲磁场强度的峰值 A/m(磁通量密度磁通量密度T) 1-2-3100（126

17、T）4300（378T）51000（1260T）X特定特定注：注：“X”是一个开放等级，可在产品规范中给出。是一个开放等级，可在产品规范中给出。 21 现在一般认为无屏蔽的计算机在雷电电磁脉冲的磁通量密度超现在一般认为无屏蔽的计算机在雷电电磁脉冲的磁通量密度超过过7T7T时就会引起计算机误动作（失效），时就会引起计算机误动作（失效），当超过当超过240T240T（190 A/m190 A/m）时，就会造成晶体管、集成电路等的永久性损坏时，就会造成晶体管、集成电路等的永久性损坏。这两个数据来源。这两个数据来源于美国通用研究公司（于美国通用研究公司（General Research Corpora

18、tionGeneral Research Corporation）R.D.R.D.希尔希尔建立的精确的类闪电（建立的精确的类闪电（Like LightningLike Lightning）模型，并于）模型，并于19711971年用仿真年用仿真实验确立。类闪电和自然界闪电并不严格等效，而且模型未考虑磁实验确立。类闪电和自然界闪电并不严格等效，而且模型未考虑磁场随时间的变化率及脉冲磁场的形状，所以这两个数值只是作为一场随时间的变化率及脉冲磁场的形状，所以这两个数值只是作为一种估算的参考。种估算的参考。22 考虑到控制室内的控制系统大多都安装在金属材质的机柜内，考虑到控制室内的控制系统大多都安装在金

19、属材质的机柜内，金属材质的机柜本身又是一道很好的屏蔽体，即机柜内部是控制室金属材质的机柜本身又是一道很好的屏蔽体，即机柜内部是控制室的后续防护区。的后续防护区。 所以在进行控制室的屏蔽设计时，如制造商没有提供数据，笔所以在进行控制室的屏蔽设计时，如制造商没有提供数据，笔者建议，作为格栅形屏蔽大空间的控制室（而不是控制系统本身）者建议，作为格栅形屏蔽大空间的控制室（而不是控制系统本身）对脉冲磁场强度的要求，对脉冲磁场强度的要求，在一般情况下可按小于在一般情况下可按小于300A/m300A/m（378T378T）考）考虑，在要求高的地方可按小于虑，在要求高的地方可按小于100 A/m100 A/m

20、（126T126T）考虑。）考虑。23计算实例计算实例 1 1已知已知1 1）某装置的控制室为单层的独立建筑物，距该装置最高的塔设备为）某装置的控制室为单层的独立建筑物，距该装置最高的塔设备为3030米；米； 2 2）控制系统的脉冲磁场抗扰度为）控制系统的脉冲磁场抗扰度为300A/m300A/m；3 3）控制室屏蔽网格的材质为钢，屏蔽钢筋的半径为）控制室屏蔽网格的材质为钢，屏蔽钢筋的半径为5mm5mm；4 4）控制系统的雷电防护等级为）控制系统的雷电防护等级为A A级，雷电流峰值为级，雷电流峰值为200kA200kA。求求 屏蔽网格的最大宽度和控制室内屏蔽网格的最大宽度和控制室内DCSDCS机

21、柜距屏蔽壁的最近安全距机柜距屏蔽壁的最近安全距离。离。24计算程序计算程序（1 1）按式（）按式（1 1）计算在闪电击于最高设备时，当控制室无屏蔽时所产生的）计算在闪电击于最高设备时，当控制室无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度无衰减磁场强度HoHo： H Ho o = = i io o（2S2Sa a）=200,000/(23.1430)=1062 (A/m)=200,000/(23.1430)=1062 (A/m)（2 2）按式（）按式（2 2）计算需要的屏蔽系数：）计算需要的屏蔽系数： SF=20 log(H0/Ha)=20 log(1062/300)=11 (dB)SF=20 log(H0/

22、Ha)=20 log(1062/300)=11 (dB)（3 3）按表）按表2 2所列公式计算出所需的格栅形屏蔽的网格宽度所列公式计算出所需的格栅形屏蔽的网格宽度W:W: W=10 = W=10 = =1.60 (m) =1.60 (m)（4 4）按式（）按式（3 3）计算控制室内机柜距屏蔽壁的最近安全距离）计算控制室内机柜距屏蔽壁的最近安全距离: : d dS/1S/1 = = W WSFSF10 =1.6211/10=1.76 (m)10 =1.6211/10=1.76 (m)）（20/1018193. 026rSF）（20/005.0/101811193.0261025计算实例计算实例

23、2 2 已知：已知：1 1）某化工装置的控制室为单层的独立建筑物，距该装置最高的精馏）某化工装置的控制室为单层的独立建筑物，距该装置最高的精馏塔为塔为3030米；米；2 2）控制室内）控制室内DCSDCS机柜距屏蔽壁的最近距离为机柜距屏蔽壁的最近距离为2.52.5米；米；3 3）DCSDCS的脉冲磁场抗扰度为的脉冲磁场抗扰度为300A/m300A/m；4 4）控制室屏蔽网格的材质为钢，格栅形屏蔽网格的最大宽度为）控制室屏蔽网格的材质为钢，格栅形屏蔽网格的最大宽度为2 2米米, ,屏蔽钢筋的半径为屏蔽钢筋的半径为5mm5mm。5 5）控制系统的雷电防护等级为）控制系统的雷电防护等级为C C级，雷

24、电流峰值为级，雷电流峰值为100kA100kA。 求：求： 该网格屏蔽大空间对磁场强度的衰减是否满足该网格屏蔽大空间对磁场强度的衰减是否满足DCSDCS的脉冲磁场的脉冲磁场抗扰度的要求。抗扰度的要求。26计计 算算（1 1）按式（）按式（1 1）计算在闪电击于精馏塔时，当控制室无屏蔽时所产）计算在闪电击于精馏塔时，当控制室无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度生的无衰减磁场强度H Ho o： H Ho o = = i io o（2S2Sa a）（）（A Am m） =100,000/(23.1430)=530.8 (A/m)=100,000/(23.1430)=530.8 (A/m)（2 2）按表）按

25、表1 1计算在首次雷击时的屏蔽系数计算在首次雷击时的屏蔽系数SFSF： SF= SF= =20log(8.5/2)/ =20log(8.5/2)/ =14.9 (dB) =14.9 (dB)/10181/)/5 . 8log(2026rw26005.0/1018127（3 3）按式（）按式（2 2）计算在网格屏蔽空间内的磁场从）计算在网格屏蔽空间内的磁场从H Ho o减为减为H H1 1： H H1 1 = = H Ho o1010SF/20SF/20 =530.8/10 =94.4 (A =530.8/10 =94.4 (Am)m)300 (A 2.5 m 2.5 m 由上述计算可见，该控制

26、室的网格屏蔽空间对磁场强度的衰减由上述计算可见，该控制室的网格屏蔽空间对磁场强度的衰减满足该满足该DCSDCS的脉冲磁场抗扰度的要求，控制室内的脉冲磁场抗扰度的要求，控制室内DCSDCS机柜距屏蔽壁的机柜距屏蔽壁的最近距离宜为最近距离宜为2.982.98米。米。20/9 .14285 5 关于屏蔽导体截面的影响关于屏蔽导体截面的影响 从左图可知，屏蔽导体从左图可知，屏蔽导体截面愈大，屏蔽效果愈好。截面愈大，屏蔽效果愈好。 但是影响不是十分明显。但是影响不是十分明显。要提高屏蔽性能则需要减小要提高屏蔽性能则需要减小网格的宽度。网格的宽度。WSFR=1cmR=10cm296 6 工程用查表工程用查

27、表 为了便于工程设计，笔者按两种情况，分别计算了如表为了便于工程设计，笔者按两种情况，分别计算了如表4 4和表和表5 5两种情况下的网格尺寸和距屏蔽壁最短安全距离。两种情况下的网格尺寸和距屏蔽壁最短安全距离。 1 1）闪电击于控制室建筑物以外闪电击于控制室建筑物以外附近的情况下，可利用表附近的情况下，可利用表4 4按雷电按雷电防护等级、仪表的脉冲磁场抗扰度选择网格宽度以及距屏蔽壁的最防护等级、仪表的脉冲磁场抗扰度选择网格宽度以及距屏蔽壁的最短安全距离。短安全距离。 表表4 4是在雷击点与屏蔽空间之间的是在雷击点与屏蔽空间之间的平均距离为平均距离为30m30m, ,钢筋半径为钢筋半径为5mm5m

28、m的条件下按式（的条件下按式（1 1）至（）至（3 3）以及表）以及表2 2计算出来的。计算出来的。 30脉冲磁场抗扰度脉冲磁场抗扰度Ha (A/m)Ha (A/m)雷电防护等级雷电防护等级LPL网格宽度网格宽度w (m)w (m) 距屏蔽壁的最短安全距离距屏蔽壁的最短安全距离d ds/1s/1 (m) (m) 100100A0.380.380.780.78B0.550.551.001.00C或或D0.940.941.361.36300300A1.601.601.761.76B2.302.302.32.3C或或D4.004.004.004.0031 2 2）闪电直接击在控制室建筑物上，格栅型大空间屏蔽的网格尺）闪电直接击在控制室建筑物