对屏蔽电缆的接地课件

分散型控制系统的防雷

ProtectionofDCSagainstlightning

（培训讲座）

徐义亨编

浙江中控技术股份有限公司2004年5月

气流翻滚，云层急聚，一场风暴正在形成------------雷电灾害有什么特征？它给DCS带来什么危害？如何依靠技术进步减少这种灾害？你相信下面的数据吗？大自然一年中产生的雷击能量够全世界人用上10年

；雷击中的95%是云对云的放电(也就是说95%的雷击只会产生电磁脉冲损害）；

闪电的强度可达1,000,000,000

伏；

一个中等强度雷暴的功率有10,000,000瓦（相当于一个小型核电站的输出功率）；

每年因雷击造成的直接损失超过1,000,000,000

美元（全球不含中国的统计）。

本讲座共四个部分：雷电的基本知识；雷电电磁幅射；DCS的防雷；DCS遭雷击的案例分析。第一部分雷电的基本知识前言

闪电是自然界强大的脉冲放电现象。地球上每天约有800万次云对地的闪电，平均每秒钟有100次。它已成为十大自然灾害之一，给人类带来巨大的损失。

直击雷的高电压、强电流侵入各处，袭击人，破坏建筑物、输电网，引发森林火灾是很常见的事。伴随着雷电产生的雷电电磁脉冲，以电磁感应作用，通过金属管道和电缆将雷电波（即高电位）引入，对近十多年来迅速发展的电子、信息、控制设备的破坏和危害，是上个世纪九十年代以来雷电灾害最显著的特征。它的成灾率更高，损失更大，因而也就成了防雷技术中一个急需解决的重要课题。

不同符号的电荷通过一定的电离通道互相中和，产生强烈的光和热。放电通道所发出的这种强光称之谓“闪”。而通道所发出的热，使附近的空气突然膨胀，发出霹雳的轰鸣，人们称之谓“雷”。

雷电有：

1）线状雷(云对地放电）；

2）球雷（谜）；

3）片状雷（云间放电）。

1雷云结构和云间放电机理（片状雷）

在大气中有带正电的冰晶和带负电的水粒，由于它们的比重不一，于是形成了一种气流，使得带正电的冰晶和带负电的水粒分离，形成一部分带正电和一部分带负电的雷云。由于异性电荷的不断积累，不同极性的云块之间的电场强度不断增大；当某处的电场强度超过了空气可能承受的击穿强度时，就形成了云间放电。2雷云的对地放电（线状雷）

通常下部的雷云带负电（上部的雷云带正电），由于静电感应使地面积聚正电荷，从而使地面与雷云之间形成强大的电场。和云间放电一样，当某处积聚的电荷密度很大，造成电场强度达到空气游离的临界值，就为线状闪电落雷的发展创造了条件。

3雷击的选择性放电——即位能的释放，总是向着阻力小的地方。例如：

1）高大建筑物的尖顶（因为该处的静电感应的电场强度最大）；

2）旷野中的突出物，即便不高，因为孤立、突出；

3）潮湿的土壤（因为电阻率低）；

4）金属结构的建筑物，包括金属线缆等（因为具有良好的导电性能）。4避雷装置的基本原理

（1）避雷装置的基本原理是引雷入地。（2）它包括三个部分：

1）接闪器；

2）引下线；

3）接地体。（3）接闪器的四种形式：

1）避雷针；

2）避雷线（用在高压线路上）；

3）避雷带（沿屋顶四周）；

4）避雷网（利用屋顶上的金属配筋，效果最好）。引下线接地体接闪器5避雷针的保护范围

对于单支避雷针的保护范围是：

以尖顶为中心的45º锥体内的空间。(最新的确定方法：滚球法）

45º45º受保护建筑物避雷针第二部分雷电电磁辐射前言除了直接雷击外，闪电的脉冲电流还会产生剧烈变化的电磁场，在闪电通道的四周空间产生强大的电磁辐射，并通过金属线缆和金属管道，将高电位（雷电波）带入电子信息（控制）系统。

伴随闪电发生的雷电电磁脉冲虽然不及直击雷猛烈，但可以影响几公里范围内的电子设备。雷电电磁辐射分：1）静电感应；2）电磁感应。1静电感应

雷云当空，在闪电通道周围的金属导体表面会感应出与雷云下端电荷异号的电荷。雷云放电，其下端电荷迅速消失，而金属导体上的感应电荷不能立即消失，就对地构成几百千伏的高电位。静电感应的过电压波就可能通过金属线缆和金属导体经过信息、控制系统等设备入地。雷电流可高达几千安，甚至几百千安（例：黄岛特大油罐起火）。

雷云----------金属贮槽++++++++2电磁感应

雷云放电时，空间存在着强大的电磁场，处在该电磁场作用下的金属线缆因切割磁力线会感应出的数以千伏的浪涌电压。如果金属线缆之间形成了一个回路，该回路内又有一定的空气间隙（如几厘米长），则浪涌电压会在间隙处发生火花放电并将设备击穿。如果金属线缆之间形成了一个流通的闭合回路，则感应电压会在回路内形成闭合电流，该电流流经接触不良的接点或阻抗会产生局部过热，也能将设备烧坏。

IB引下线金属回路3避雷针能防雷电电磁脉冲吗？

避雷针（装置）的作用是吸引闪电电流，并把它迅速导入大地。它只是防护直击雷，保护建筑物的有效手段。避雷针不能防护由感应产生的和经金属导体传入电子设备内部的雷电电磁脉冲。4防雷区（LPZ）的划分LPZ0A区：本区内可能遭受直击雷，电磁场强度没有衰减（如室外）；LPZ0B区：本区内不大可能遭受直击雷，但电磁场强度并没有衰减（如室内近窗户处）；LPZ1区：本区内不可能遭受直击雷，电磁场强度可能衰减（如控制室内）；LPZ2区：本区内的电磁场强度再度被衰减（如屏蔽室或机壳内）。

LPZ0A区LPZ2区LPZ1区LPZ0B区窗户室外室内屏蔽区5雷电电磁脉冲的防护措施

雷电电磁脉冲的防护措施有：

1）屏蔽；

2）均压；

3）分流；

4）等电位联接。5.1屏蔽

屏蔽是防止任何电磁干扰的基本手段之一。屏蔽的目的：

1）限制某一区域内部的电磁能量向外传播；

2）防止和降低外界电磁辐射能量向被保护的空间传播。

屏蔽材料：金属材料，具体要按屏蔽性质而定。如屏蔽室、金属网编织带、金属管等。

5.1.1静电屏蔽

为防止被保护空间受外部静电场干扰，用屏蔽导体把该空间包围。如果屏蔽导体各处等电位，那么内部就无电场存在。由于内部和外部不可能完全隔离，多少有静电耦合，所以屏蔽是不完善的，就会有电场侵入内部空间。为此，屏蔽导体应接地。

+Q-Q5.1.2电磁场屏蔽

屏蔽体对电磁波有三种不同机理的衰减：

1）空气中的电磁波到达屏蔽体时，由于空气和金属交界面的波阻抗不同，对入射波产生反射；

2）进入屏蔽体内的电磁波在屏蔽导体内感应产生涡流，消耗部分能量；

3）尚未吸收掉的电磁波在两界面间重复反射多次。5.1.3信号传输线的屏蔽对电缆的屏蔽，国家石油和化学工业局于2000年发布的《仪表系统接地设计规定》（HG/T20513-2000）对屏蔽电缆的接地，原则上是规定一端接地，另一端悬空。但单端接地只能防静电感应和低频干扰，防不了磁场强度变化所感应的电压，无助于阻碍雷电波的侵入。

为此，除了内屏蔽层的一端做等电位联接外，还应增加有绝缘隔开的外层屏蔽，外层屏蔽应至少在两端作等电位联接。在雷击时外屏蔽层与地构成了环路，感应出一电流，该电流产生的磁通抵消了源磁场强度的磁通，从而基本上消除无外层屏蔽层时所感应的电压。通常，利用金属走线槽或穿金属管作为外屏蔽层，但必须中间连接良好且两端接地。

IAIB雷击的源磁场屏蔽层环流产生的磁场信号线屏蔽层5.2反击

（在讨论均压前，先介绍何谓“反击”。）

当建筑物防雷装置遭受雷击时，在接闪器、引下线和接地体上都会产生很高的电位，如果金属线缆和它们间的绝缘距离不够，会产生放电，破坏电缆的绝缘，将雷电波带入控制系统，将系统损坏，这种现象称之谓反击。

5.2.1如何求取防止反击的最小距离上图是引下线与线缆的关系示意图。图中AB与CD两段距离最近，而且它们是分隔的。上式是则雷击时A点和C点的电位差（即防雷装置地上计算高度处的电位）。式中：——A、C两点间的电压（千伏）；

----单位长度引下线的电感（微亨/米）；

——引下线计算点A到接地体的长度（米）；

——雷电流的变化率（千安/微秒）；

——接地装置的冲击接地电阻值（欧姆）。5.2.2防止反击的安全距离由上式可知，反击电压取决于雷电流在引下线上的电感电压降和接地体上的电阻电压降。设EL为电感电压降的空气击穿强度；ER为电阻电压降的空气击穿强度。为了防止反击，电缆离引下线在空气中的安全距离应为：为了计算保险起见，可取电流幅值Im,如取EL=700千伏/米；ER=500千伏/米；L=1.4微亨/米；Im=150千安；

=50千安/微秒。则代入可得：

空气中的安全距离（米）

地中的安全距离（米）

如果冲击电阻值为10欧姆，电缆离地面距离为4米，则空气中安全距离应大于3.4米，地中安全距离应大于3米。

在一般的情况下，为了防止线缆（盘柜）和独立避雷系统间形成反击，它们间的最小距离不宜低于2米。注意对于钢筋混凝土结构的建筑物，目前常利用外墙或柱子中的钢筋作防雷装置的引下线，所以无论是敷设电缆，或者是布置盘柜，都应该事先了解引下线的具体位置，并和其保持一定的间距。如果实在无法避开的话，应辅以屏蔽和等电位联接等措施。5.3均压（等电位）5.3.1问题的提出：1）受条件限制，无法满足防止产生反击的最小距离；2）尽管建筑物采用笼式避雷网结构，但是电磁辐射还是能够通过网孔、门窗、电缆和金属管道进入保护区；3）雷电放电时，在金属设备、导体回路上会产生很高的感应电压，此电压在导体的开环（间隙）处会引起空气击穿放电。

均压（等电位）就是将导体作良好的电气连接，使它们之间的电位差降到最小，为雷电流提供低阻抗的连续通道泄放到大地。5.3.2均压的方式1）建筑物混凝土内的配筋连成一体（只要用金属丝捆绑，不一定要焊接），并在底层设置接地装置；2）所有的金属管道，金属设备连成一体并接地；3）电气装置的均压连接，包括电缆的金属外皮、供电系统的中性线和保护接地等。

5.4分流

5.4.1增加防雷引下线的数量

增加防雷引下线的数量，使每根引下线所承受的雷电流愈小，则其反击的机会和感应的范围的影响就愈小。

5.4.2电涌保护器（SPD）的基本原理

SPD是一种限制瞬态过电压和分走电涌电流的器件。

电涌保护器并联在被保护设备的附近，在无电涌出现时为高阻抗（即开路状态），当出现电涌时变为低阻抗，迅速将雷电流泄放到地。受保护设备SPD浪涌电压设备耐压最大冲击电压tv电压保护水平5.4.3SPD的分类1）电压开关型SPD

通常由放电间隙、充气放电管、闸流管和三端双向可控硅元件组成。

特点：无电涌出现时为高阻抗，出现电压电涌时突变为低阻抗。2）限压型SPD

通常用压敏电阻、齐纳二极管、雪崩二极管组成。

特点：无电涌出现时为高阻抗，随着电涌电压和电流的升高，其阻抗持续下降呈低阻导通状态。3）组合型SPD

电压开关型SPD和限压型SPD组合而成。

模拟雷电冲击波波形波前时间半峰时间8/20电流8us20us10/350电流10us350us1.2/50电压1.2us50us使用SPD的首要条件：

1）可靠的接地；2）响应时间是ns级的。气体放电管压敏电阻二极管响应时间500ns50ns1ns放电电流10kA2kA100A绝缘电阻10G20M20M5.5接地

接地是分流、引雷入地和排泄雷电电磁干扰能量的必不可少的手段。一个避雷设施如果没有接地就成了引雷入室的祸害。

如何衡量接地装置的性能？

1）散流效果好（接地电阻小）；

2）电位分布曲线的陡度要小（跨步电压小）；

3）和接地装置相连的系统间耦合要小；

4）经济、实用、耐久。

以前的接地系统是否合格以接地电阻值为准，现在侧重于接地结构兼顾接地电阻值，特别是从独立接地到等电位联结(BONDING)方式的转变。5.6合理布线

我们在DCS防雷案例的调查中发现，雷电波绝大部分系通过电缆进入系统的。合理布线包括：1）电缆束路径选择要减小所包围的面积S（即尽量靠近，平行敷设），包括和接地线的面积；2）保持和独立的防直接雷装置有一定的距离；3）用金属线槽或金属管屏蔽且埋地敷设（如架空敷设应两端或多端接地），特别是在进控制室前15米。设备1设备2设备3设备4SS合理布线不合理布线第三部分

DCS的防雷1雷电对DCS危害的形式直击雷对DCS的危害指的是：

当控制室建筑物的防直击雷装置在接闪时，强大的瞬间雷电流通过引下线流入接地装置，会使局部的地电位浮动，如果防雷的接地装置是独立的，它和控制系统的接地极没有足够距离的话，则他们之间会产生放电(反击)，从而对控制室内的DCS产生干扰或损坏。电位分布曲线DCS接闪器强大的雷闪电流产生的雷电电磁脉冲，对DCS的干扰有如下几种形式：1）当控制室建筑物的防直击雷装置在接闪时，在引下线内通过强大的瞬间雷电流，如果在引下线周围的一定距离内设有连接DCS系统的电缆（包括电源、通信以及I/O电缆），则会产生电磁辐射，干扰或损坏DCS系统。接闪器负载电阻接地体DCS电缆回路2）当控制室周围发生雷击放电时，会在种金属管道、电缆线路上产生感应电。如果这些管道和线路引进到控制室把电压传到DCS系统上，就会对DCS系统生干扰或损坏。

3）当空中携带大量电荷的雷云从控制室上空经过时，由于静电感应使地面某一范围带上异种电荷，当直击雷发生后，云层带电迅速消失，而地面某些范围由于散流电阻大，以至出现局部高电位，它会对周围的导线或金属物产生影响，这种静电感应电压也会对DCS系统产生干扰或损坏。

上述几种的雷电干扰形式，最严重的干扰源是雷击造成的地电位浮动和引下线中雷电流的电磁辐射。大凡基于微电子器件的控制设备，都存在着耐压低，对电磁脉冲特别敏感的短处。雷电引起的各种过电压可达数百乃至数千数万伏，而基于微电子器件的系统的耐压值都很低，一般承受不了正负5V的电压波动。美国通用研究公司R.D.希尔用仿真试验建立的模型表明：对无屏蔽的计算机，当雷电电磁脉冲的磁通量密度超过0.03×T时，计算机会误动作，当超过2.4×T时，计算机会永久性损坏。2DCS控制室的防直击雷要求根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94，2000年版）的规定，建筑物应根据其重要性、使用性、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为第一类防雷建筑物、第二类防雷建筑物和第三类防雷建筑物。DCS控制室如作为独立的建筑物，应划为第三类防雷建筑物；DCS控制室如果和生产装置在同一建筑物内，其防雷要求和防直击雷设施应联同生产装置的特点综合确定和设计；DCS控制室为独立的建筑物，且在周围避雷针的保护范围内，可不设置防直击雷装置；应将建筑钢筋混凝土内的配筋、金属门窗等联为一体，并接地。3如何布线1）不得使用非金属的玻璃钢汇线桥架。2）采用金属或带金属屏蔽网的汇线桥架时，应保证桥架间有良好的电气连接，并须在桥架的两端接地，如果桥架距离较长时，应每隔30米设一个接地点。桥架的接地宜采用等电位联接。3）单独走线的电缆（包括通信电缆）宜选用金属铠装电缆直埋敷设，埋地深度不小于700mm。

4）若单独走线的电缆（包括通信电缆）为一般电缆，应穿金属保护管敷设；金属保护管宜埋地敷设，埋地深度不小于700mm。若金属保护管架空敷设，应保证金属保护管间有良好的电气连接，并须在金属保护管的两端接地，如果金属保护管的距离较长时，应每隔30米设一个接地点。金属保护管的接地宜采用等电位联接。

5）若外部的线缆采用电缆沟方式敷设，电缆沟内的线缆敷设仍应满足第1、2、4条款的要求。

6）进入控制系统的线缆应离开独立避雷装置引下线（包括用作引下线的建筑配筋）和接地极有不小于2米的距离，如不可避免时，应采用金属屏蔽并接地。

4等电位联接4.1何谓等电位联接

等电位连接减小了系统内各金属部件和各系统间的电位差（并非是真正的等电位体），无论是从防雷的角度或者是从减小控制系统的共模干扰来看，这都是十分有益的。

关于等电位连接的概念，世界上最早是1958年年底我国建造人民大会堂时基于防雷要求提出的。比国外早18年（英国R.H.Golde1977年才在国际名著《LIGHTNING（雷电）》一书中谈到）。

4.2S型星形结构

等电位连接有S型星形结构和M型网状结构。DCS系统一般采用的是S型星形结构（见图），和共用接地系统实行单点接地，即一个接地基准点（ERP）。ERP公共接地网4.3ERP的位置

我们在工程实践中发现，即便DCS已采用等电位接地方式实现，但在接地网中的引入点不能和防雷地、大电流高电压设备的接地点相距太近，否则源源不断的电磁干扰会进入DCS系统，信号中常常会出现不明的波形。我们的经验是保持和防雷地、大电流高电压设备的接地点应有不小于5米的距离，否则DCS系统同样难以理想地工作。

4.4关于接地电阻值

在采用等电位连接的前提下，接地电阻值的大小是否显得很重要，目前有两种不同的观点。《建筑物防雷设计规范》的起草人林维勇在一次防雷培训班上认为“只要实施了良好的等电位连接，接地电阻可以放宽，甚至可能在下一次修订《建筑物防雷设计规范》时，对接地电阻的阻值不再作要求。“还说：“如我国海岛岩石上建立的雷达站，根本无法接地，只有进行良好的等电位连接措施。”

我国的防雷前辈刘继和马宏达等对此持不同意见，并用日本89个微波中继站的统计相关分析证明雷击事故率与接地电阻值有关。不过从“引雷入地”的观点出发，较小的接地电阻值有利于提高雷电能量释放的速度。再则，接地也不仅是为了防雷。因此DCS的工频接地电阻值规定不大于4欧姆还是适宜的。

5如何使用SPD

5.1SPD主要参数的选择（1）最大持续运行电压UC

允许持续施加于SPD端子间的最