1、1,控制室格柵型屏蔽的設(shè)計計算徐義亨,浙江中控技術(shù)有限公司,2,內(nèi)容提要,本講座以抗雷電電磁脈沖干擾為例，按下列兩種情況討論控制室屏蔽的 設(shè)計計算： 1）已知屏蔽網(wǎng)格，求磁場強度的衰減是否符合控制系統(tǒng)的脈沖磁場抗擾 度； 2）已知控制系統(tǒng)的脈沖磁場抗擾度，求屏蔽網(wǎng)格的寬度W等參數(shù)。,3,1 問題的提出,電磁干擾是困擾控制系統(tǒng)正常運行的嚴重問題，在控制室內(nèi) 的控制系統(tǒng)往往會受到下列幾種電磁干擾： 1）工頻磁場 它一般由周圍工頻電流產(chǎn)生的，極少量的是由附 近變壓器的漏磁通所產(chǎn)生。 2）直流磁場 它一般由周圍的直流電流產(chǎn)生的，如生產(chǎn)規(guī)模為 43,000t/a燒堿裝置的離子膜電解槽，最大電流可達11.

2、25萬安培。 3）脈沖磁場 它是由雷擊建筑物和其它金屬構(gòu)架（包括天線桿、 引下線、接地體和接地網(wǎng)）以及在低壓、中壓和高壓電力系統(tǒng)中因故障的 起始暫態(tài)產(chǎn)生的，也可以在高壓變電所，因斷路器切合高壓母線和高壓線 路時產(chǎn)生。它的波前時間和半波時間都是微秒級的。,4,4）射頻電磁場 對講機、手機等各種發(fā)射機，以及周圍的電焊機、晶 閘管整流器、熒光燈等都會產(chǎn)生這種電磁輻射影響在控制室內(nèi)的控制系統(tǒng) 的正常運行。它的頻率范圍一般指150kHz-1000MHz。 5）阻尼振蕩磁場 如控制室附近有高壓變電所的話，那么當隔離刀閘 切合高壓母線時，就會產(chǎn)生衰減的振蕩磁場。其頻率范圍為30kHz-10MHz。 上述幾種

3、磁場的影響以雷電電磁干擾的威脅為最。,5,強大的雷擊電磁脈沖的危害： 1）輕則會把微小的信號掩蓋掉以至系統(tǒng)無法識別，也可以使顯示器的 圖象畸變抖動； 2）重則會造成控制系統(tǒng)的失效或損壞； 3）使存儲在EPROM里的程序丟失，迫使生產(chǎn)裝置停車。,6,控制室的屏蔽方式： 1）建筑物的自身屏蔽 建筑物自身對屏蔽有一定的功能，但 效果不甚理想； 2）金屬網(wǎng)格的格柵形大空間屏蔽 可以通過網(wǎng)格寬度的選擇 來滿足控制系統(tǒng)的需要，最為實用。 3）用金屬板材圍成的殼體屏蔽 屏蔽效果好，但投資也大， 適用于實驗室裝置。,7,2 已知屏蔽網(wǎng)格，求磁場強度的衰減是否符合控制系統(tǒng)的脈沖磁場抗擾度,（1）在閃電擊于控制室

4、以外時,8,在無屏蔽時的磁場強度： Ho = io（2Sa） （Am ） （1） 式中io雷電流（A）； Sa雷擊點與屏蔽空間之間的平均距離（m）。,9,根據(jù)IEC 62305-4建筑物電氣和電子系統(tǒng)的防雷，對控制系統(tǒng)之類的電 子信息系統(tǒng)，可以按雷電防護等級取值。下表列出了不同雷電防護等級所對 應的雷電流峰值。,10,雷擊點與屏蔽空間之間的平均距離Sa可以按下述三種情況取值： A.如附近有突出的高層建筑物或最高設(shè)備，宜取最高建筑物或最高 設(shè)備離需屏蔽的控制室中心點的平面直線距離； B.如有多個高層建筑物或最高設(shè)備，宜取離控制室中心點最近的平面 直線距離。 C.如附近沒有突出的高層建筑物或較高的

5、設(shè)備，宜按后面式（4）和 (5），即閃電直接擊在屏蔽空間上的情況進行計算。,11,當有屏蔽時，在屏蔽空間內(nèi)，即控制室內(nèi)的磁場強度從Ho減為 H1，其值應按下式計算： H1 = Ho10SF/20 (Am) （2） 式中：SF屏蔽系數(shù)（dB），按下表所列的公式計算。 屏蔽系數(shù)定義： SF=20 log(H0/H1) (dB),12,表中：w屏蔽的網(wǎng)格寬（m）； r屏蔽網(wǎng)格導體的半徑（m）。 注： 1 如計算出的SF為負值時，取SF=0； 2 若建筑物具有網(wǎng)格形等電位連接網(wǎng)絡，SF可增加6dB。 3 相對磁導系數(shù)r200。,13,在LPZ 1或LPZ n區(qū)內(nèi)放儀表設(shè)備的空間,屏蔽,安放儀表設(shè) 備的

6、空間VS,LPZ1或LPZn,14,表2的計算值僅對在控制室內(nèi)距屏蔽層有一安全距離dS/1（即控 制系統(tǒng)機柜離屏蔽層的最小安全距離）的安全空間VS內(nèi)才有效（見 圖2），dS/1應按下式計算： 當SF10時， dS/1 = WSF10 (m) 當SF10時， dS/1 = W (m) （3） 式中W格柵形屏蔽的網(wǎng)格寬（m）。,15,（2）當閃電直接擊在直接雷非防護區(qū)LPZ0A的格柵形大空間屏蔽上 的情況下，則第一防護區(qū)LPZ1其內(nèi)部Vs空間內(nèi)某點的磁場強度H1應 按下式計算： H1 = kHioW（dw ） （A/m） （4） 式中dr被考慮的點距LPZ1區(qū)屏蔽頂?shù)淖疃叹嚯x（m）； dw被考慮的

7、點距LPZ1區(qū)屏蔽壁的最短距離（m）； kH形狀系數(shù)（1 ），取kH =0.01（1 ）。 （注：形狀系數(shù)kH中的（1 ）為其單位。）,16,式（4）的計算值僅對距屏蔽格柵有一安全距離ds/2的空間Vs內(nèi) 有效，ds/2應符合下式的要求： ds/2 = W (m) （5） 控制設(shè)備應僅安裝在Vs空間內(nèi)?？刂圃O(shè)備的干擾源不應取緊靠 格柵的特強磁場強度。 由于格柵型的屏蔽，使控制室內(nèi)的磁場強度從Ho衰減為H1，H1 應小于控制系統(tǒng)的脈沖磁場抗擾度Ha，該指標應由制造商提供,后面 還再詳述。,17,計算實例 1,已知： 1）某化工裝置的控制室為單層的獨立建筑物，距該裝置最高的精餾塔為30米； 2）控

8、制室內(nèi)DCS機柜距屏蔽壁的最近距離為2.5米； 3）DCS的脈沖磁場抗擾度為300A/m； 4）控制室屏蔽網(wǎng)格的材質(zhì)為鋼，格柵形屏蔽網(wǎng)格的最大寬度為2米,屏蔽鋼筋的半徑為5mm。 5）控制系統(tǒng)的雷電防護等級為C級，雷電流峰值為100kA。 求： 該網(wǎng)格屏蔽大空間對磁場強度的衰減是否滿足DCS的脈沖磁場 抗擾度的要求。,18,計 算,（1）按式（1）計算在閃電擊于精餾塔時，當控制室無屏蔽時所產(chǎn)生的無衰減磁場強度Ho： Ho = io（2Sa）（Am） =100,000/(23.1430)=530.8 (A/m) （2）按表1計算在首次雷擊時的屏蔽系數(shù)SF： SF= =20log(8.5/2)/

9、=14.9 (dB),19,（3）按式（2）計算在網(wǎng)格屏蔽空間內(nèi)的磁場從Ho減為H1： H1 = Ho10SF/20 =530.8/10 =94.4 (Am) 2.5 m 由上述計算可見，該控制室的網(wǎng)格屏蔽空間對磁場強度的衰減 滿足該DCS的脈沖磁場抗擾度的要求，控制室內(nèi)DCS機柜距屏蔽壁的 最近距離宜為2.98米。,20,計算實例 2,已知: 1)如果閃電直接擊在控制室所在的獨立二層建筑物，控制室設(shè)在 一樓； 2）控制室內(nèi)的DCS機柜距一樓屏蔽頂?shù)淖罱嚯x為4米； 3）屏蔽網(wǎng)格的最大寬度為2米； 4）DCS的脈沖磁場抗擾度為300A/m； 5）控制系統(tǒng)的雷電防護等級為B級，雷電流峰值為150

10、kA。 求： DCS機柜距屏蔽壁的最短安全距離為多少。,21,計算程序,根據(jù)建筑物雷電防護區(qū)的劃分原則，由于建筑物的立面是單層 的，所以位于一樓的控制室仍然屬LPZ1區(qū)。按式（4）,在閃電直接 擊在控制室所在建筑物的情況下，其內(nèi)部LPZ1區(qū)內(nèi)Vs空間內(nèi)某點的 磁場強度H1為： H1 = kHioW（dw ） 將已知數(shù)據(jù)代入； 300=0.01150,0002/（dw 41/2 ） 所以，DCS機柜距屏蔽壁的最短安全距離為： dw =0.01150,0002/（30041/2 ） =5（m）,22,3 已知控制系統(tǒng)的脈沖磁場抗擾度，求屏蔽網(wǎng)格的寬度W等參數(shù),（1）按式（1）計算在閃電擊于網(wǎng)格屏蔽

11、空間以外附近的情況下， 當無屏蔽時所產(chǎn)生的無衰減磁場強度Ho。 （2）按下式計算需要的屏蔽系數(shù)： SF=20 log(H0/Ha) (dB) (6),23,（3）按下表可求出格柵形屏蔽的網(wǎng)格寬度W。 表中：w屏蔽的網(wǎng)格寬（m）； r屏蔽網(wǎng)格導體的半徑（m）。 注： 1 如計算出的SF為負值時，取SF=0； 2 若建筑物具有網(wǎng)格形等電位連接網(wǎng)絡，SF可增加6dB。 3 相對磁導系數(shù)r200。,24,（4）按式（3）可計算出儀表系統(tǒng)機柜離屏蔽層的最小安全距離ds/1。 （5）當閃電直接擊在直接雷非防護區(qū)LPZ0A的網(wǎng)格屏蔽空間上的情況 下，如第一防護區(qū)LPZ1其內(nèi)部Vs空間內(nèi)某點的磁場強度要小于控

12、制系統(tǒng)的脈沖磁場抗擾度Ha的話，則網(wǎng)格寬W可按下式計算： W Hadwdr1/2（kHio） （m） （7） 式（7）的計算值僅對距屏蔽格柵有一安全距離ds/2的空間Vs內(nèi)有效， ds/2應符合式（5）的要求。 控制設(shè)備應僅安裝在Vs空間內(nèi)。,25,計算實例 3,已知 1）某裝置的控制室為單層的獨立建筑物，距該裝置最高的塔設(shè)備為 30米； 2）控制系統(tǒng)的脈沖磁場抗擾度為300A/m； 3）控制室屏蔽網(wǎng)格的材質(zhì)為鋼，屏蔽鋼筋的半徑為5mm； 4）控制系統(tǒng)的雷電防護等級為A級，雷電流峰值為200kA。 求 屏蔽網(wǎng)格的最大寬度和控制室內(nèi)DCS機柜距屏蔽壁的最近安全距 離。,26,計算程序,（1）按式

13、（1）計算在閃電擊于最高設(shè)備時，當控制室無屏蔽時所產(chǎn)生的 無衰減磁場強度Ho： Ho = io（2Sa）=200,000/(23.1430)=1062 (A/m) （2）按式（6）計算需要的屏蔽系數(shù)： SF=20 log(H0/Ha)=20 log(1062/300)=11 (dB) （3）按表2所列公式計算出所需的格柵形屏蔽的網(wǎng)格寬度W: W=10 = =1.62 (m) （4）按式（3）計算控制室內(nèi)機柜距屏蔽壁的最近安全距離: dS/1 = WSF10 =1.6211/10=1.8 (m),27,4 關(guān)于控制系統(tǒng)的脈沖磁場抗擾度,IEC標準和國家標準GB/T 17626.9-1999 電磁

14、兼容 試驗和測 量技術(shù) 脈沖磁場抗擾度試驗（idt IEC 61000-4-9:1993）規(guī) 定了電氣和電子設(shè)備對由雷擊建筑物產(chǎn)生的脈沖磁場的抗擾度的試 驗方法和推薦的試驗等級范圍。 該標準規(guī)定的脈沖磁場的試驗等級如下表所示。試驗磁場的波 形為6.4/16s的標準電流脈沖波形。磁場強度用A/m表示，1A/m相當 于自由空間的磁通量密度為1.26T。,28,29,現(xiàn)在一般認為無屏蔽的計算機在雷電電磁脈沖的磁通量密度超 過7T時就會引起計算機誤動作（失效），當超過240T（190 A/m） 時，就會造成晶體管、集成電路等的永久性損壞。這兩個數(shù)據(jù)來源 于美國通用研究公司（General Resear

15、ch Corporation）R.D.希爾 建立的精確的類閃電（Like Lightning）模型，并于1971年用仿真 實驗確立。類閃電和自然界閃電并不嚴格等效，而且模型未考慮磁 場隨時間的變化率及脈沖磁場的形狀，所以這兩個數(shù)值只是作為一 種估算的參考。,30,考慮到控制室內(nèi)的控制系統(tǒng)大多都安裝在金屬材質(zhì)的機柜內(nèi)， 金屬材質(zhì)的機柜本身又是一道很好的屏蔽體，即機柜內(nèi)部是控制室 的后續(xù)防護區(qū)。 所以在進行控制室的屏蔽設(shè)計時，如制造商沒有提供數(shù)據(jù)，筆 者建議，作為格柵形屏蔽大空間的控制室（而不是控制系統(tǒng)本身） 對脈沖磁場強度的要求，在一般情況下可按小于300A/m（378T）考 慮，在要求高的地方

16、可按小于100 A/m（126T）考慮。,31,5 工程用查表,為了便于工程設(shè)計，筆者按兩種情況，分別計算了如表5和表6 兩種情況下的網(wǎng)格尺寸和距屏蔽壁最短安全距離。 1）閃電擊于控制室建筑物以外附近的情況下，可利用表5按雷電 防護等級、儀表的脈沖磁場抗擾度選擇網(wǎng)格寬度以及距屏蔽壁的最 短安全距離。 表5是在雷擊點與屏蔽空間之間的平均距離為30m的條件下按式 （1）、（3）、（6）以及表3計算出來的。,32,33,2）閃電直接擊在控制室建筑物上，格柵型大空間屏蔽的網(wǎng)格尺 寸可利用表6按雷電防護等級、儀表的脈沖磁場抗擾度以及距屏蔽壁 的最短安全距離進行選擇。 表6是在下列條件下按式（7）計算出來的： a. 閃電直接擊在控制室建筑物上； b. 被考慮的點距LPZ1區(qū)屏蔽頂?shù)淖疃叹嚯x取dr=1.5m。 該表所示的網(wǎng)格寬度一般要遠小于閃電擊在控制室建筑物之 外，所以比較可靠安全。,34,35,值得注意的是，作為控制室格柵形大空間屏蔽的金屬體不宜作 為防直擊雷裝置的部件，特別是引下線。此外，當控制室建筑物為 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或磚混結(jié)構(gòu)，并處于第二防護區(qū)（L