Энциклопедия АСУ ТП Спонсор проекта: Skip Navigation LinksЭнциклопедия АСУ ТП : 3 Защита от помех : 3.7 Защита промышленных сетей от молнии Соспонсор:




Робот BotEyes




Промышленные контроллеры RealLab!

3.7. Защита промышленных сетей от молнии

Во время разрядов молнии появляется сильное магнитное и электростатическое поле, а также резко повышается потенциал земли в области заземления молниеотвода при ударе молнии. Все эти явления приводят к возникновению опасных для аппаратуры напряжений на кабелях промышленных сетей и цепей питания.

3.7.1. Пути прохождения импульса молнии

Наибольшая величина наводки получается при ударе молнии в близко расположенный молниеотвод. Поскольку напряженность магнитного поля спадает обратно пропорционально расстоянию от источника поля, одним из способов решения проблемы может быть отдаление кабелей от молниеотвода. Используются также электромагнитное экранирование, полупроводниковые и газоразрядные защитные элементы.

Оценим величину напряжения и тока, наводимых молнией в кабелях промышленной автоматики. Предположим, что ток молнии проходит по длинному вертикально расположенному молниеотводу, а здание не имеет экранирующих железобетонных конструкций. Тогда напряженность магнитного поля внутри здания на расстоянии от молниеотвода будет описываться законом полного тока . Рассмотрим проводящую рамку (контур) длиной и шириной , расположенную в плоскости молниеотвода. Предположим, что ширина рамки достаточно мала, чтобы можно было пренебречь неоднородностью поля внутри рамки, а напряженность поля однородна вдоль ее длины. Тогда э. д. с., наведенная в рамке, по закону Фарадея будет равна

,

(3.10)

где Гн/м; =1, = - площадь рамки - скорость нарастания тока (см. раздел "Молния и атмосферное электричество"). Для максимального значения =280 кА/мкс при длине рамки =10 м и ширине =10 см (=1 кв. м.) на расстоянии от молниеотвода =5 м получим =11 кВ. Поскольку молнии с такими параметрами встречаются редко (см. раздел "Молния и атмосферное электричество"), для типового случая =20 кА/мкс получим =800 В.

На рис. 3.111 приведен один из наихудших случаев возникновения большой э.д.с. в кабеле промышленной сети. Неэкранированная витая пара промышленной сети проходит параллельно молниеотводу и параллельно шине заземления, образуя контур площадью на расстоянии от молниеотвода. Кабель имеет гальаническую развязку с двух сторон. Молния наводит в контуре э.д.с., равную сумме напряжений на емкостях устройств гальванической развязки = величиной до 11 кВ при исходных данных, приведенных выше.

Оценим величину тока, который будет протекать в контуре после пробоя изоляции. Молниеотвод и заштрихованный на рис. 3.111 контур являются связанными индуктивностями. Уравнение, связывающее напряжение и ток в контуре в нашем случае будет иметь вид [Попов]

,

(3.11)

где - взаимная индуктивность, - индуктивность контура. В режиме до пробоя ток в контуре равен нулю и выражение (3.11) принимает вид . Сравнивая его с (3.10), получим, что . При приведенных выше численных значениях параметров получим =0,04 мкГн.

Индуктивность контура можно приближенно (при >>) вычислить по формуле для индуктивности двухпроводной линии [Барнс]:

,

(3.12)

где - диаметр провода линии. При =1 мм и приведенных выше параметрах контура получим =21 мкГн.

Рис. 3.111. Заземление в промышленной сети на основе интерфейса RS-485

После пробоя напряжение и, как следует из (3.11), , откуда , т. е. форма тока в контуре будет совпадать с формой тока молнии (рис. 3.65). При максимальном токе молнии 200 кА максимальный ток в контуре будет равен 380 А. Отметим, что при диаметре провода 1 кв. мм омическое сопротивление контура составит 0,22 Ом и при э.д.с. в контуре 11 кВ ток короткого замыкания был бы равен 50 кА, т.е. активным сопротивлением контура можно пренебречь, что мы и сделали.

Если кабель экранирован и заземлен с двух сторон, то наведенный ток может расплавить провод заземления экрана. Если экран заземлен с одной стороны, то на втором его конце наводится напряжение в нашем примере от 800 В до 11 кВ.

Такие напряжения и токи действительно возникают в зданиях, не имеющих в стенах металлической арматуры или других экранирующих поверхностей для защиты от магнитного поля молнии. Если здание выполнено из железобетона, то металлическая арматура в бетоне образует экранирующую сетку, которая, в зависимости от расстояния между прутьями и их толщины, а также наличия окон и дверных проемов, может ослабить магнитное поле в несколько раз.

Одним из способов уменьшения влияния разрядов молнии на кабели является отдаление молниеотвода от здания или кабелей от молниеотвода. В частности, если молния возникает на большом расстоянии от кабелей (например, между двумя облаками на высоте 300 м), то в приведенной оценке ток и напряжение наводки будут примерно в 100 раз меньшими.

Несмотря на то, что молниеотводы расположены вертикально, в металлических конструкциях зданий, в том числе в прутьях арматуры, наведенный ток проходит не только параллельно молниеотводу, но и перпендикулярно ему, создавая магнитное поле в контурах, расположенных не только вертикально, но и горизонтально.

Вторым следствием удара молнии в молниеотвод является повышение потенциала заземления молниеотвода и соединенного с ним заземления здания на несколько киловольт [Матвеев, Матвеев]. Если при этом кабель соединяет интерфейсы систем передачи данных, расположенные в разных зданиях (рис. 3.112), то напряжение между заземленными частями аппаратуры в разных зданиях может превысить напряжение пробоя изоляции элементов гальванической развязки интерфейсов (рис. 3.112). Например, при токе молнии 50 кА и сопротивлении заземления 0,2 Ом это напряжение достигнет 10 кВ, что достаточно для пробоя типовых модулей гальванической развязки.

3.7.2. Средства защиты

Эффективной защитой кабелей от магнитного поля молнии являются стальные трубы (нельзя использовать трубы из нержавеющей стали, которая не является ферромагнитным материалом) [Барнс].

Рис. 3.112. Появление высоких напряжений на элементах гальванической развязки при ударе молнии

Для защиты от перенапряжений используются газонаполненные разрядники, варисторы, TVS-диоды и TVS-тиристоры (Transient Voltage Suppressor - "подавитель переходных напряжений"). Защитные элементы бывают двух типов: ограничивающие и шунтирующие (закорачивающие). Ограничивающие элементы стабилизируют напряжение в линии на некотором уровне, например, на уровне напряжения стабилизации для ограничивающих стабилитронов (TVS-диодов). Шунтирующие элементы снижают напряжение в линии до напряжения открытого состояния защитного элемента, например, до напряжения на тиристоре в открытом состоянии при защите TVS-тиристором.

В газонаполненных разрядниках при некотором напряжении начинается лавинный пробой в газе и образуется канал с плазмой, имеющий низкое сопротивление. При этом напряжение на разряднике падает, энергия наведенного молнией импульса выделяется в виде тепла в подводящих проводах, на балластном резисторе (если он имеется) и на самом разряднике. Недостатком газовых разрядников является большое время срабатывания (от 0,1 мкс до единиц микросекунд), ограниченный срок службы и низкая надежность, которая связана с возможной разгерметизацией трубки при ее нагреве. Однако газовые разрядники выдерживают очень большой ток, что делает их пригодными для выполнения первой ступени защиты, с напряжением ограничения перенапряжения обычно от 90 В до 1 кВ. Несмотря на низкое быстродействие, газовые разрядники способны рассеять основную часть энергии, пропуская на выход только короткий выброс в начале импульса. Поэтому совместно с газовыми разрядниками в качестве второй ступени защиты используются более быстродействующие элементы - варисторы и TVS-диоды.

Металло-окисные варисторы (MOV - Metal-Oxide Varistor) изготавливаются в форме диска, площадь которого пропорциональна допустимому току. Материалом для изготовления служит порошкообразный карбид кремния и связующее вещество (жидкое стекло, лаки, смолы). Варистор можно упрощенно представить как множество полупроводниковых p-n-переходов, которые включены последовательно и параллельно. Поэтому сопротивление варистора падает с простом приложенного напряжения. Недостатком варисторов является сильная нестабильность напряжения срабатывания во времени и деградация параметров с каждым актом срабатывания. Напряжение срабатывания варисторной защиты лежит в диапазоне от нескольких вольт до 1,5 кВ, ток - от единиц ампер до десятков тысяч ампер, время срабатывания составляет несколько наносекунд.

Наилучшим элементом защиты являются TVS диоды и TVS тиристоры, которые известны также под торговыми марками Trans Zorb, Transil, Insel.

TVS тиристоры представляют собой обычный тиристор со стабилитроном в цепи управляющего электрода. При повышении напряжения на стабилитроне более напряжения стабилизации в управляющий электрод начинает протекать ток, отпирающий тиристор. Открытый тиристор выполняет роль шунтирующего элемента, понижая напряжение в защищаемой линии до 1-2 Вольт. После окончания импульса молнии ток линии становится меньше тока удержания тиристора и он переходит в запертое состояние. TVS тиристоры имеют время срабатывания около нескольких наносекунд.

TVS диоды имеют такую же структуру, технологию изготовления и принцип действия, как обычные стабилитроны (основаны на лавинном пробое p-n-перехода), но спроектированы специально для работы при больших токах малой длительности и имеют малую емкость обратно смещенного p-n-перехода. Благодаря монокристальной кремниевой технологии параметры TVS диодов стабильны во времени. Время срабатывания достигает нескольких пикосекунд. Напряжение срабатывания задается техпроцессом и лежит в диапазоне от 2,8 В до 440 В. Для уменьшения емкости диода, которая шунтирует промышленную сеть, последовательно с TVS-диодом включают обычный кремниевый диод с малой емкостью (около 100 пФ). При отсутствии импульсов перенапряжения оба диода заперты, поэтому линия шунтируется только емкостью диода. TVS диоды изготавливаются двух видов: однонаправленные и двунаправленные (симметричные), состоящие из двух последовательно соединенных диодов, направленных встречно. Время срабатывания у однонаправленных TVS диодов составляет единицы пикосекунд, у двунаправленных - единицы наносекунд. TVS диоды и тиристоры способны рассеивать мощность до нескольких киловатт при импульсе перенапряжения длительностью до 1000 мкс, пропуская ток до тысяч ампер.

а)

б)

Рис. 3.113. Защита линий интерфейса RS-485 от перенапряжений

На рис. 3.113 показаны две схемы построения цепей защиты для промышленной сети на основе интерфейса RS-485. На рис. 3.113-а показана схема на симметричных TVS диодах и двухэлектродных газонаполненных разрядниках. В качестве балластного резистора могут быть использованы позисторы, которые увеличивают свое сопротивление при нагревании протекающим током. На рис. 3.113-б показана аналогичная схема, но с применением несимметричных TVS-диодов и трехэлектродного газонаполненного разрядника. Поскольку балластный резистор включен последовательно с линией передачи, его сопротивление стараются сделать по возможности меньшим.

Частично импульсы перенапряжения можно уменьшить с помощью фильтров на конденсаторах, однако конденсаторы часто представляют собой недопустимо большую емкостную нагрузку для защищаемой цепи.

Устройства защиты разных интерфейсов и цепей различаются напряжением срабатывания (ограничения). Для телефонных линий это напряжение составляет 65 В, для Ethernet - 5В, для сетей на основе интерфейса RS-485 - 7,5 В.

3.8. Стандарты и методы испытаний по ЭМС

В области электромагнитной совместимости (ЭМС) действует более 100 государственных стандартов, основные из которых мы приводим в списке литературы [ГОСТ - ГОСТ]. Стандарты делятся на гармонизированные с международными стандартами и негармонизированные, принятые до 1999 г. В стандартах устанавливаются как ограничения на излучаемую энергию, так и требования к помехоустойчивости.

Виды испытаний на помехоустойчивость установлены в общем стандарте ГОСТ Р 51317.4.1-2000. Для средств промышленной автоматизации существует специальный стандарт ГОСТ Р 51522-99 "Электрическое оборудования для измерения, управления и лабораторного применения. Требования и методы испытаний". Он распространяется на промышленные контроллеры, регуляторы, испытательное, измерительное и лабораторное оборудование.

В соответствии с этим стандартом для средств промышленной автоматизации используют следующие виды испытаний:

  • на электростатические разряды по ГОСТ Р 51317.4.2;

  • на излучаемое радиочастотное электромагнитное поле по ГОСТ Р 51317.4.3;

  • на наносекундные импульсные помехи ГОСТ Р 51317.4.4;

  • на микросекундные импульсные помехи большой энергии ГОСТ Р 51317.4.5;

  • на кондуктивные помехи, наведенные радиочастотными электромагнитными полями ГОСТ Р 51317.4.6;

  • на динамические изменения напряжения электропитания ГОСТ Р 51317.4.11.

Стандарт ГОСТ Р 51522-99 устанавливает четыре критерия качества функционирования испытываемых устройств:

  • критерий А: устройство нормально функционирует в процессе испытаний;

  • критерий B - в процессе испытаний некоторые характеристики ухудшаются или некоторые функции не выполняются, но устройство полностью восстанавливает функционирование без вмешательства оператора;

  • критерий C - аналогично критерию А, но для восстановления функций требуется вмешательство оператора, например, перезапуск системы;

  • критерий D - во время испытаний происходит ухудшение характеристик или потеря функционирования, которые не восстанавливаются даже после вмешательства оператора. Это может произойти, например, вследствие повреждения элементов, потери части программного кода или данных.

Устанавливаются также нормы на помехоэмиссию (излучение помех) для оборудования разных классов.

3.9. Верификация заземления и экранирования

После выполнения мер по защите от помех осуществляется проверка их эффективности или соответствия проекту (верификация). Соответствие государственным стандартам устанавливается в процессе сертификационных испытаний на соответствие комплексу стандартов по электромагнитной совместимости.

Однако до испытаний, в процессе разработки и экспериментальной доводки проектируемых изделий, обычно используют осциллографы, преимущественно с "плавающим" (батарейным) питанием и самописцы.

Самописцы [Burleson] помогают найти плохие ("шуршащие") контакты в цепи заземления и питания аппаратуры, а также редко появляющиеся сбои в системах автоматизации. Для этого с помощью многоканального компьютерного самописца (например, серии RealLab!) контролируют интересующий параметр, напряжение в цепи низковольтного питания, в питающей сети 220 В и разность напряжений между несколькими точками системы заземления. Непрерывная запись параметров процесса и напряжений позволяет установить причинно-следственную связь между сбоями технологических параметров и выбросами напряжения в цепи питания и заземления.

Осциллографы с "плавающим" питанием [Floating] позволяют контролировать величину и частоту помехи на клеммах заземления в монтажных шкафах автоматики, оценить уровень и найти источник магнитного поля помехи с помощью антенны из нескольких витков провода, подключенной к осциллографу. Аналогично можно найти источник электрического поля с помощью пластины (обкладки конденсатора).

Идеальным прибором для исследования помех мог бы стать миниатюрный цифровой осциллограф с малой емкостью на землю (в том числе на руки оператора), с батарейным питанием, имеющий потенциальный, токовый и электрометрический входы и передающий сигнал в компьютер через оптический кабель.

3.10. Заключение

К проблеме помехозащищенности систем промышленной автоматизации следует относиться с особым вниманием, поскольку неправильный выбор схемы подключения или разводки кабелей, системы заземления и экранирования могут обесценить оплаченные достоинства интеллектуальной части системы. В то же время правильное понимание описанных проблем позволит в ряде случаев достичь хороших результатов с применением недорогого оборудования.

На практике решение проблемы помех следует начинать с поиска их источника. Для этого в первую очередь следует измерять уровень помех в приемнике сигнала, в источнике и в соединительном кабеле.

Нельзя оставлять часть входов многоканальной системы незаземленными. На выходе при этом будут видны собственные шумы приемника сигнала. Нужно убедиться, что уровень шумов соответствует спецификации на изделие. Если имеются расхождения, то вероятной причиной могут быть источники помех, воздействующие непосредственно на плату системы или неправильное подключение цепей питания и заземления. Для их обнаружения можно попробовать изменить местоположение измерительной части системы.

Для измерения уровня помех, наведенных в кабеле, нужно подключить его к системе сбора данных и закоротить кабель со стороны источника сигнала, т.е. имитировать нулевое внутреннее сопротивление источника. Если уровень помехи будет сильно отличаться от случая, когда источник сигнала подключен, то причина может быть в недостаточно низком сопротивлении источника. Для его уменьшения следует использовать подходящий согласующий усилитель или выбрать более помехоустойчивый способ передачи сигнала.

Для оценки уровня собственных помех источника сигнала его нужно соединить максимально коротким проводом со входом приемника.

Если источник помех заранее неизвестен, его поиску может помочь спектральный анализ помехи.

Для увеличения точности передачи каждый сигнал должен передаваться витой парой в индивидуальном экране. При изготовлении витых пар для индустриальных применений особое значение уделяется симметрии импедансов проводов в паре и равномерности их частотных характеристик в полосе рабочих частот. Равномерность характеристики позволяет выполнять компенсацию асимметрии линий и тем самым уменьшать влияние паразитных наводок. Для уменьшения паразитных наводок, создаваемых на кабеле магнитной составляющей электромагнитного излучения, необходимо обеспечить минимально возможный шаг скрутки проводников в витой паре и минимальную площадь петель, образующихся при подключении витой пары к источнику и приемнику сигнала.

При невысоких требованиях к точности могут быть использованы витые или не витые сигнальные провода в общем экране. Однако в этом случае появляются индуктивные и емкостные взаимовлияния проводников в кабеле, а также кондуктивные связи через общий провод заземления экрана.

Если полоса частот сигнала меньше, чем полоса приемника, или если некоторые параметры сигнала известны заранее, для уменьшения помех можно использовать аналоговые фильтры на входе системы. Для ослабления помехи с частотой 50 или 60 Гц обычно используют фильтры третьего порядка, имеющие наклон АЧХ в полосе заграждения -60 дБ не декаду или режекторные sinc-фильтры. Если измерения производятся на частотах, близких к граничной частоте фильтра, следует учитывать динамическую погрешность коэффициента передачи фильтра.

Радикальные методы решения проблем заземления

1. Используйте модули ввода-вывода только с гальванической развязкой.

2. Не применяйте длинных проводов от аналоговых датчиков. Располагайте модули ввода в непосредственной близости к датчику, а сигнал передавайте в цифровой форме. Используйте датчики с цифровым интерфейсом.

3. На открытой местности и при больших дистанциях используйте оптический кабель вместо медного.

4. Используйте только дифференциальные (не одиночные) входы модулей аналогового ввода.

Другие советы

5. Используйте в пределах вашей системы автоматизации отдельную землю из медной шины, соединив ее с шиной защитного заземления здания только в одной точке.

6. Аналоговую, цифровую и силовую землю системы соединяйте только в одной точке. Если этого сделать невозможно, используйте медную шину с большой площадью поперечного сечения для уменьшения сопротивления между разными точками подключения земель.

7. Следите, чтобы при монтаже системы заземления случайно не образовался замкнутый контур.

8. Не используйте по возможности землю как уровень отсчета напряжения при передаче сигнала.

9. Если провод заземления не может быть коротким или если по конструктивным соображениям необходимо заземлить две части гальванически связанной системы в разных точках, то эти системы нужно разделить с помощью гальванической развязки.

10. Цепи, изолированные гальванически, нужно заземлять через большое сопротивление, чтобы избежать накопления статических зарядов.

11. Экспериментируйте и пользуйтесь приборами для оценки качества заземления. Допущенные ошибки видны не сразу.

12. Пытайтесь идентифицировать источник и приемник помех, затем нарисуйте эквивалентную схему цепи передачи помехи с учетом паразитных емкостей и индуктивностей.

13. Пытайтесь выделить самую мощную помеху и в первую очередь защищайтесь от нее.

14. Цепи с существенно различающейся мощностью следует заземлять группами, так, чтобы все группы имели примерно одинаковую мощность.

15. Заземляющие проводники с большим током должны проходить отдельно от чувствительных проводников с малым измерительным сигналом.

Провод заземления должен быть по возможности прямым и коротким.

16. Не делайте полосу пропускания приемника сигнала шире, чем это надо из соображений точности измерений.

17. Используйте экранированные кабели, экран заземляйте в одной точке, со стороны источника сигнала на частотах ниже 1 МГц и в нескольких точках - на более высоких частотах.

18. Для особо чувствительных измерений используйте "плавающий" батарейный источник питания.

19. Экраны должны быть изолированными, чтобы не появилось случайных замкнутых контуров, а также электрического контакта между экраном и землей.


© RLDA Ltd. info@rlda.ru  Спонсоры проекта: , а также