自动化系统抗干扰技术 点击:0 | 回复:0



汇尼克

    
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发表于:2003-08-07 13:21:00
楼主
1 概 述 雷电这一自然现象,瞬变万千。古人以阴阳平衡之理论来认识这一自然现象,其理论与之千年的实践,与现代实证性科学相比,有着相当深的科学内涵。随着人类社会的进步和科学技术的发展,人们对雷电这一自然现象有了新的认识,其理论和防雷实践都在不断的完善。自240年前富兰克林避雷针问世至今,其顺应雷云放电规律,创造优先放电条件,使防雷实用技术进入一个崭新的阶段。 富兰克林避雷针在几百年的实践应用中,均取得了良好的防雷效果,但随着科学技术的进步,富兰克林避雷针在实际应用中,因其自身仍存在不完善和难以解决的诸多问题。针对其存在的问题,国内外的防雷专家进行了大量的研究工作,并研制诸多种防雷装置去完善富兰克林避雷针的不足,就其实用性和可靠性,仍需在今后的实践中去完善。因此国内外部分防雷专家从“消雷”这一课题入手去研究防雷技术,并进行了一定的工程实验,取得了大量的技术数据,也为该项技术的研究起到一定的推动作用,但至今其仍是研究中的技术,仍有待在今后工作中从理论和实践中去研究和探索,以创新和发展防雷技术。 自动化控制系统是由计算机技术、通信技术及信息技术的系统集成,自动化控制系统中的微电子设备采用最新的网络技术实现工业生产生产过程的优化控制及为商用系统提供信息服务。这些微电子设备普遍存在着绝缘程度低,对过压耐受能力差的致命弱点,一旦遭雷电干扰,轻则造成系统运行失灵,重则造成永久性损坏。雷电电磁脉冲(lightning Elecrtomagnetic Impulse) 已进入新的防雷理论,国际电工委员会(IEC)将雷电电磁脉冲的防护作为标准推荐各国使用。我国于94年制定的建筑物防雷设计规范也首次把防雷电波侵入地措施作为强制性国家标准执行。雷电电磁脉冲干扰是指,自然界天空雷电波的电磁辐射对建筑物内部电气设备的干扰,当建筑物的防雷装置接闪后,强大的雷电流产生的突变磁场对附近电气设备的干扰,由外部传输线路引入的电磁波对建筑物内电气设备的干扰。 2 雷电形成 在讨论雷电形成之前,首先讨论雷云的产生。当太阳把地面晒得很热时,地面水份部分转化为蒸汽,同时地面空气受热变轻而上升,上升汽流中的水蒸气在上空遇冷凝成小水滴。此外,当水平移动的冷暖气流相遇时,冷气团下降,暖气团上升,水汽在高空凝成水滴,形成宽度达几公里的峰面积云。这种积云易形成较大范围的雷害,当云中悬浮的水滴很多时便成为乌云。乌云的起电机理有三种理论,各能解释一定的现象。其三种理论分别为;水滴破裂效应、水滴冻冰效应、吸收电荷效应。 笔者认为前两种解释有其一定的局限性,而从火花放电发展机理去解释,乌云起电机理采用吸收电荷效应理论来阐述更容易理解。由于宇宙射线或地面大气层的放射使气体分子游离,在大气中存在着两种离子,由于大气空间场的作用,使云层上部积聚正电荷,下部积聚负电荷,在空间场的作用下云层分离从而带电。 雷云中电荷的分布是不均匀的,而是形成许多堆积中心。因而不论是在云中或是在云对地之间,电场强度是不一致的,当云中电荷密集处的电场强度达到25-30kV/cm时,就会由云向地开始先导放电(对于高层建筑,雷电先导可由地面向上发出,称为上行雷),当先导通道的顶端接近地面时,可诱发迎面先导(通常起自地面的突出部分),当先导与迎面先导会合时,即形成了从云到地面的强烈电离通道,如图1所示。这就是雷电的主放电阶段,此时雷鸣和电闪都伴随出现。主放电存在的时间极短,约50-100/us,主放电过程是逆着先导通道发展的,速度约为光速的1/21~1/2,主放电的电流可达数十万安,是全部雷电电流中最主要部分。主放电到达云端时就结束了,然后云 中的残余电荷经过主放电通道流下来称为余光阶段,由于云中电阻较大,余光阶段对应的电流不大(约数百安),持续时间却较长(0.03-0.15s)。由于云中可能同时存在几个电荷中心,所以第一个电荷中心的上述放电完成之后,可能引起第二个、第三个中心向第一通道放电。因此雷电往往是多重性的,每次放电相隔600us-800us,放电的数目平均为2-3次。 云中或是在云对地之间的的电场强度并不是到处一样的,而是一个非常不均匀的电场,当云中电荷密集处的电场强度达到25-30kV/cm时,就会由云向地开始先导放电,当先导通道的顶端接近地面时,可诱发迎面先导,当先导与迎面先导会合时,即形成了从云到地面的强烈电离通道,这时出现极大的电流,这就是雷电的主放电阶段,雷鸣和电闪都伴随着出现。主放电阶段存在的时间极短,约50-100ms,主极电的过程是逆着先导通道发展的,速度约为光速的1/20-1/2,主放电的电流可达数十万安,是全部雷电流的主要部分,主放电到达云端时就结束,然后云中的残余电荷经过主放电通道流下来,称为余光阶段,由于云中电阻很大,余光阶段对应电流不大(约数百安),但持续时间却较长(0.03-0.15s)。由于云中可能同时存在着几个电荷中心向第一通道放电,因此雷电多呈多重性,每次放电相隔600ms到800ms,放电的数量平均2-3次,图1中示出雷云放电光学照片和放电过程雷电流的变化情况。 雷电流具有两大特点,一是幅值大,二是持续时间短。由雷电流产生的磁场是一瞬变的电磁场,这一瞬变磁场的幅射对在一定范围内的微电子设备造成干扰,又因瞬变磁场产生的电磁感应对电压与雷电流的大小及变化速率成正比,并与雷击处的距离成反比,由于雷电流极大的幅值和陡度,其感应电压可达相当高的幅值,是对微电子设备安全运行的最大威胁,其也可沿着传输线、供电线侵入、干扰甚至损坏设备。 3 防雷机理 国内外防雷专家致力于防雷研究,在传统的富兰克林避雷针、避雷带和法拉第笼的基础上,由澳大利亚E·F公司研制的system3000动力球型避雷针和放射性避雷针,以及法国依丽达(HFLITA)公司的Pular高脉冲避雷针,都以其不同的结构,不同的材质而达到共同的目的。其防雷机理均为,当避雷针的上空出现雷云时,它们就处在大气空间场中,由于针电极尺寸,远小于场板极间隙长度,所以带电云团与针极间是一个极不均匀的空间电场。在放电间隙电场很不均匀的情况下,若负电荷雷云而感生正针极,在雷云负极板与地正针极空间电场中,从正针极发出初始电子在电场力的作用下,在其运动中发出碰撞电离形成初始电子崩,集中于崩头的电子成为负空间电荷区,而留在崩尾的正离子成正空间电荷区,崩中部则为正负离子混合区,因正负离子浓度高,是进行复合的极好条件,在复合过程中发生光子辐射,光致电离而产生二次电子,二次电子作用在崩头,崩尾发生更强烈的碰撞电离,形成二次电子崩,汇入初崩扩大离子区,其后崩发速度远比初崩快,可达光速。电子崩的长度可能小于放电间隙长度。电极正电荷附近的放电之所以仅靠气体光游离来维持,是因为场强区把阴极与气体游离区隔开的缘故,当电极是负电荷时,二次电子的产生即可以来自阴极的光效应,也可以来自气体的光游离。同时,随着空气密度和电极曲率半径ro的不同,就形成自由电子的某种机理,当N(光子的吸收系数)和ro的乘积不大时,即: N. ro=ProN0/P0<4 式中:N0-P= P0时的光子吸收系数 P-气体压力 P0-标准条件下气体压力 起主要作用的是阴极光效应,当N·ro≥4时,气体中的光游离作用迅速增长,因为当N ro增大时,为气体所吸收且飞不到阴极的光子数,或因电子崩的伸长(ro增大时),或因N的增加(在P增大时)而增加。故放电发生在高场强的狭窄区域里,它以再生电子崩的形式出现。避雷针就是利用自身的高度,使雷云电场发生畸变,其电场强度增加到极限值,于是开始电离,并向下梯级式放电,称为下行先导放电,而避雷针在强电场作用下产生尖端放电,形成向上先导,并朝向向下先导发展,两者会合形成雷电通路,并伴随之开始的主放电阶段。 4 雷电电磁脉冲干扰抑制 抑制雷电电磁脉冲对微电子设备干扰的措施,广泛采用屏蔽技术,等电位接地技术和三级细防护等措施,几种技术的综合运用,对抑制雷电电磁脉冲干扰是行之有效的。 4.1 电磁屏蔽技术 采用屏蔽技术抑制电磁干扰是通过反射或吸收的方式来承受或排除电磁能的,因电磁干扰穿过一种介质而进入另一种介质时,其中一部分被反射,就像光通过空气和水的交界面一样,电磁波在空气和屏蔽交界面上未被反射的电磁能量将进入屏蔽层,并由感生出电流I2R损耗被吸收。从而有效地抑制电磁波对屏蔽层内的设备的干扰。对于智能建筑利用建筑物的钢筋混凝土结构的顶板、墙、柱及地板形成一个立体芜式屏蔽网,对室内的微电子设备抑制空间电磁辐射的效果是极其明显的。根据1992年国际建筑物防雷会议上IEC/TC81中提出的防雷保护区LPI新概念,将建筑物需要保护的空间划分为三个防雷保护区,如图2所示,图中区域划分为: LPIO区--本区内的物体处于直接雷击下,可传导全部雷电流。 LPI1区--本区内的物体承受直接雷击下,区内导体传导雷电流比LPI0区分。 LPI2区--具有更高屏蔽要求的空间。 图中LPI3为设备自身的屏蔽,智能建筑中的通信枢钮,计算机中心均处于LPI2区域,在设计时要根据设备对屏蔽的不同要求,增加立体空间的网络密度,以提高屏蔽效果。而智能建筑的网络干线,微波中继等处于LPI1区域,而微波接收,发射装置等则处于LPI0区域,故在设计中应对智能建筑的防雷区域作以综合分析论证,制定出高性能价格比的设计方案。 4.2 等电位联接 等电位联接是“使各外露可导电部分和装置外可导电部分电位基本相等的电气连接”,根据IEC1204-1标准,等电位联接是将所有进出保护区的导体组合到防雷等电位连法中,以使建筑物有一均衡的电位,它不仅是安全用


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