0 引言
隨著科技的不斷發(fā)展，人類已步入信息社會，計算機網(wǎng)絡技術的普及使辦公大樓、寫字樓、醫(yī)院、銀行、賓館等建筑離不開綜合布線系統(tǒng)。配置綜合布線系統(tǒng)，猶如為建筑物建立了一個高速、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(nèi)計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)的事件時有發(fā)生，造成的損失是非常巨大的。因此綜合布線系統(tǒng)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。雷電直接擊中線路并經(jīng)過電器設備入地的雷擊過電流稱為直擊雷；由雷閃電流產(chǎn)生的強大電磁場變化與導體感應出的過電壓、過電流形成的雷擊稱為感應雷。
目前，在建筑物防雷系統(tǒng)設計上，執(zhí)行國家標準GB50057-94《建筑物防雷設計規(guī)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整體，避雷網(wǎng)通過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(tǒng)安置在建筑物內(nèi)，受建筑物防雷系統(tǒng)保護，直擊雷擊中計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)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條件：干擾源、干擾通道、易受干擾設備。
干擾源分為內(nèi)部和外部。內(nèi)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(nèi)的弱電設備威脅巨大，計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)及電話程控交換機的防雷工作重點是防止感應雷入侵。入侵計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)的雷電過電壓過電流主要有以下三個途徑：
(1)由交流電220V電源供電線路入侵
計算機系統(tǒng)的電源由電力線路輸入室內(nèi)，電力線路可能遭受直擊雷和感應雷。直擊雷擊中高壓電力線路，經(jīng)過變壓器耦合到220V低壓，入侵計算機供電設備；另外低壓線路也可能被直擊雷擊中或感應雷過電壓。在220V電源線上出現(xiàn)的雷電過電壓平均可達10 000V，對計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)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很多可變因素，電源干擾以“共模”或“差模”方式存在。 “共模”干擾是指電源線與大地或中性線與大地之間的電位差。 “差模”干擾存在于電源相線與中性線之間。對三相電源來講，還存在于相線與相線之間。電源干擾復雜性中的第二個原因是干擾情況可以從持續(xù)周期很短暫的尖峰干擾到全失電之間的變化。電源干擾的類型見表1。
電源干擾進入設備的途徑；一是電磁耦合；二是電容耦合：三是直接進入。
(2)由計算機通信線路入侵可分為三種情況
①當?shù)孛嫱怀鑫镌庵睋衾状驌魰r，強雷電壓將鄰近土壤擊穿，雷電流直接入侵到電纜外皮，進而擊穿外皮，使高壓入侵線路。
②雷云對地面放電時，在線路上感應出上千伏的過電壓，擊壞與線路相連的電器設備，通過設備連線侵入通信線路。這種入侵沿通信線路傳播，涉及面廣，危害范圍大。
③若通過一條多芯電纜連接不同來源的導線或者多條電纜平行鋪設時，當某一導線被雷電擊中時，會在相鄰的導線感應出過電壓，擊壞低壓電子設備。
(3)地電位反擊電壓通過接地體入侵
雷擊時強大的雷電流經(jīng)過引下線和接地體泄入大地，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，即產(chǎn)生高壓地電位反擊，入侵電壓可高達數(shù)萬伏。建筑物防直擊雷的避雷引入了強大的雷電流通過引下線入地，在附近空間產(chǎn)生強大的電磁場變化，會在相鄰的導線(包括電源線和信號線)上感應出雷電過電壓，因此建筑物避雷系統(tǒng)不但不能保護計算機，反而可能引入雷電。計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)等設備的集成電線芯片耐壓能力很弱，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線路侵入。高壓部分有專用高壓避雷裝置，電力傳輸線把對地的電壓限制到小于6 000V(IEEEEC62．41)，而線對線則無法控制。所以，對380V低壓線路應進行過電壓保護，按國家規(guī)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間的電纜內(nèi)芯線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至二次低壓設備的配電箱間電纜內(nèi)芯線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)技術即采用高吸收能量的分流設備(避雷器)將雷電過電壓(脈沖)能量分流泄入大地，達到保護目的。分流(限幅)技術中采用防護器的品質(zhì)、性能的好壞是直接關系網(wǎng)絡保護的關鍵，因此，選擇合格優(yōu)良的避雷器或保護器至關重要。
4)信號部分保護
對于信息系統(tǒng)，應分為粗保護和精細保護。粗保護量級根據(jù)所屬保護區(qū)的級別確定，精細保護要根據(jù)電子設備的敏感度來進行確定。
1)三級保護
對于自動化控制系統(tǒng)的所需浪涌保護應在系統(tǒng)設計中進行綜合考慮，針對自動化控制裝置的特性，應用于該系統(tǒng)的浪涌保護器基本上可以分為三級，對于自動化控制系統(tǒng)的供電設備來說，需要雷擊電流放電器、過壓放電器以及終端設備保護器。數(shù)據(jù)通信和測控技術的接口電路，比各終端的供電系統(tǒng)電路顯然要靈敏得多，所以必須對數(shù)據(jù)接口電路進行細保護。
自動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口處，就是在總配電箱里。為保證后續(xù)設備承受的剩余殘壓不過高，所以必須根據(jù)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，必須遵守導線的最小長度規(guī)定。供電系統(tǒng)中雷擊電流放電器與過壓放電器之間的距離不得小于10m，過壓放電器同儀器設備保護裝置之間的導線距離則不應低于5m。
2)三級保護器件
(1)充有惰性氣體的過電壓放電器
是自動化控制系統(tǒng)中應用較廣泛的一級浪涌保護器件。充有惰性氣體過電壓放電器，一般構造的這類放電器可以排放20kA／μs或者2．5kA／μs以內(nèi)的瞬變電流。氣體放電器的響應時間處于毫微秒范圍，其被廣泛地應用于遠程通信范疇。該器件的一個缺點是其觸發(fā)特性與時間相關，其上升時間的瞬變量同觸發(fā)特性曲線在幾乎與時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)曲線在十倍于氣體放電器額定電壓的工作點相交，也就是說，如果某個氣體放電器的最小額定電壓90V，那么線路中剩余的殘壓可高達900V。它的另一個缺點是可能會產(chǎn)生后續(xù)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24V的電路中會出現(xiàn)下列情況：原來希望維持幾個毫秒的短路狀態(tài)，會因為該氣體放電器繼續(xù)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間內(nèi)炸碎。所以在應用氣體放電器的過電壓保護電路中應該串聯(lián)一個熔斷器，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(tǒng)中的二級保護器件，因壓敏電阻在毫微秒時間范圍內(nèi)具有更快的響應時間，不會產(chǎn)生后續(xù)電流的問題。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。壓敏電阻的缺點是老化和較高的電容問題，老化是指壓敏電阻中二極管的P-N結部分，在通常過載情況下，P-N結會造成短路，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。壓敏電阻大電容問題使它在許多場合不能應用于高頻信息傳輸線路，這些電容將同導線的電感一起形成低通環(huán)節(jié)，從而對信號產(chǎn)生嚴重的阻尼作用。不過，在30kHz以下的頻率范圍內(nèi)，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。其主要缺點是電流負荷能力很弱、電容相對較高，器件自身的電容隨著器件額定電壓變化，即器件額定電壓越低，電容則越大，這個電容也會同相連的導線中的電感構成低通環(huán)節(jié)，而對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生阻尼作用，阻尼程度與電路中的信號頻率相關。
4 過程通道抗干擾措施
由自動化裝置構成控制系統(tǒng)中必須妥善解決好接口信號的隔離，抑制傳輸過程中產(chǎn)生的各種干擾，才能使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。接口與過程通道是自動化裝置和外部設備、被控對象進行信息交換的渠道，對于接口和過程通道侵入的干擾主要是因公共地線引起。其次，在信號微弱和傳輸線路較長時還會受到靜電和電磁波的干擾。目前在自動化控制系統(tǒng)中，對于數(shù)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(shù)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，則許多場合下采用調(diào)制一解調(diào)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
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、使用簡便，視現(xiàn)場干擾情況的不同，可以組成各種不同的線路對干擾進行抑制。
(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，線路是很簡單的，由于避免形成地環(huán)路，而輸入與輸出的接地點也可以任意選擇。這種隔離的作用不僅可以用在數(shù)字電路中，也可以用在線性(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方面體現(xiàn)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實現(xiàn)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反饋到輸入端。使用光電耦合器時，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。另外在接點輸入時，應注意加RC濾波環(huán)節(jié)，抑制接點的抖動。另外，用于低電壓時，其傳輸距離以1OOm以內(nèi)為限、傳輸速率在10kbps以下為宜。
2)脈沖變壓器隔離
脈沖變壓器原付邊繞組匝數(shù)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，由于每點的采樣周期很短，實際上的采樣波形也為一脈沖波形，也可實現(xiàn)隔離作用。這種脈沖變壓器隔離方式，線路中也應加濾波環(huán)節(jié)抑制動態(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(shù)變換隔離
模／數(shù)變換隔離電路，在自動化控制系統(tǒng)中常在現(xiàn)場就地進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，利用模／數(shù)轉(zhuǎn)換器將易受干擾的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行傳輸，在接收端在采用光電隔離，以增強其在信號傳輸過程中的抗干擾能力。而模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的安裝位置，怎樣才能有效地抑制干擾，是實際應用中很具體的問題。對于在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場應用的環(huán)境中，一是可以考慮將模／數(shù)轉(zhuǎn)換器遠離生產(chǎn)現(xiàn)場，放置主控室。二是將模／數(shù)轉(zhuǎn)換器放在生產(chǎn)現(xiàn)場，遠離主控室，兩者各有利弊。
將模／數(shù)轉(zhuǎn)換器放置于主控室，便于把模／數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的數(shù)字信息傳送到控制系統(tǒng)的處理器，而主機的控制信息傳送給模／數(shù)轉(zhuǎn)換器也很方便，因而利于轉(zhuǎn)換器的管理。但由于模／數(shù)轉(zhuǎn)換器遠離生產(chǎn)現(xiàn)場，使得模擬量傳輸線路過長，分布參數(shù)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(zhuǎn)換器的工作精度和速度。將轉(zhuǎn)換器放置于生產(chǎn)現(xiàn)場，雖然可解決上述問題，但數(shù)字信息傳輸線路過長，不便于轉(zhuǎn)換器的管理。這兩種方案的主要問題還在于，在控制系統(tǒng)與控制對象之間存在公共地線，即使采用同軸電纜作為傳輸媒介，也會有產(chǎn)生現(xiàn)場的干擾進入計算機中，影響整個系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定工作。顯然這兩種方案都不適合在現(xiàn)場環(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(shù)轉(zhuǎn)換器能可靠運行，并獲得精確的測量結果，把模／數(shù)轉(zhuǎn)換器放在靠近現(xiàn)場一側。為了有效抑制干擾，采用雙套光電偶合器，使得模／數(shù)轉(zhuǎn)換器與主機之間的信息交換均經(jīng)過兩次電一光一電的轉(zhuǎn)換。一套光電耦合器放在模／數(shù)轉(zhuǎn)換器一側，一套光電耦合器放在主機一側。系統(tǒng)中有三個不同的地端，一是主機與I／O接口公用的“計算機地”，一個是傳輸長線使用的“浮空地”，另一個是模／數(shù)轉(zhuǎn)換器和被控對象公用的“現(xiàn)場地”。采用這種兩次光電隔離的辦法，把傳輸長線隔浮在主機與被控對象之間，不僅有效地消除了公共地線，抑制了由其引進的干擾，而且也有利于解決長線驅(qū)動與阻抗匹配的問題這樣就保證了整個控制系統(tǒng)的可靠運行。
編輯：博子
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