第5章控制室网格屏蔽模片.ppt

1 控制室格栅型屏蔽的设计计算徐义亨 浙江中控技术有限公司 2 内容提要 本讲座以抗雷电电磁脉冲干扰为例 按下列两种情况讨论控制室屏蔽的设计计算 1 已知屏蔽网格 求磁场强度的衰减是否符合控制系统的脉冲磁场抗扰度 2 已知控制系统的脉冲磁场抗扰度 求屏蔽网格的宽度W等参数 3 1问题的提出 电磁干扰是困扰控制系统正常运行的严重问题 在控制室内的控制系统往往会受到下列几种电磁干扰 1 工频磁场它一般由周围工频电流产生的 极少量的是由附近变压器的漏磁通所产生 2 直流磁场它一般由周围的直流电流产生的 如生产规模为43 000t a烧碱装置的离子膜电解槽 最大电流可达11 25万安培 3 脉冲磁场它是由雷击建筑物和其它金属构架 包括天线杆 引下线 接地体和接地网 以及在低压 中压和高压电力系统中因故障的起始暂态产生的 也可以在高压变电所 因断路器切合高压母线和高压线路时产生 它的波前时间和半波时间都是微秒级的 4 4 射频电磁场对讲机 手机等各种发射机 以及周围的电焊机 晶闸管整流器 荧光灯等都会产生这种电磁辐射影响在控制室内的控制系统的正常运行 它的频率范围一般指150kHz 1000MHz 5 阻尼振荡磁场如控制室附近有高压变电所的话 那么当隔离刀闸切合高压母线时 就会产生衰减的振荡磁场 其频率范围为30kHz 10MHz 上述几种磁场的影响以雷电电磁干扰的威胁为最 5 强大的雷击电磁脉冲的危害 1 轻则会把微小的信号掩盖掉以至系统无法识别 也可以使显示器的图象畸变抖动 2 重则会造成控制系统的失效或损坏 3 使存储在EPROM里的程序丢失 迫使生产装置停车 6 控制室的屏蔽方式 1 建筑物的自身屏蔽建筑物自身对屏蔽有一定的功能 但效果不甚理想 2 金属网格的格栅形大空间屏蔽可以通过网格宽度的选择来满足控制系统的需要 最为实用 3 用金属板材围成的壳体屏蔽屏蔽效果好 但投资也大 适用于实验室装置 7 2已知屏蔽网格 求磁场强度的衰减是否符合控制系统的脉冲磁场抗扰度 1 在闪电击于控制室以外时 8 在无屏蔽时的磁场强度 Ho io 2 Sa A m 1 式中io 雷电流 A Sa 雷击点与屏蔽空间之间的平均距离 m 9 根据 IEC62305 4建筑物电气和电子系统的防雷 对控制系统之类的电子信息系统 可以按雷电防护等级取值 下表列出了不同雷电防护等级所对应的雷电流峰值 10 雷击点与屏蔽空间之间的平均距离Sa可以按下述三种情况取值 A 如附近有突出的高层建筑物或最高设备 宜取最高建筑物或最高设备离需屏蔽的控制室中心点的平面直线距离 B 如有多个高层建筑物或最高设备 宜取离控制室中心点最近的平面直线距离 C 如附近没有突出的高层建筑物或较高的设备 宜按后面式 4 和 5 即闪电直接击在屏蔽空间上的情况进行计算 11 当有屏蔽时 在屏蔽空间内 即控制室内的磁场强度从Ho减为H1 其值应按下式计算 H1 Ho 10SF 20 A m 2 式中 SF 屏蔽系数 dB 按下表所列的公式计算 屏蔽系数定义 SF 20log H0 H1 dB 12 表中 w 屏蔽的网格宽 m r 屏蔽网格导体的半径 m 注 1如计算出的SF为负值时 取SF 0 2若建筑物具有网格形等电位连接网络 SF可增加6dB 3相对磁导系数 r 200 13 在LPZ1或LPZn区内放仪表设备的空间 屏蔽 安放仪表设备的空间VS LPZ1或LPZn 14 表2的计算值仅对在控制室内距屏蔽层有一安全距离dS 1 即控制系统机柜离屏蔽层的最小安全距离 的安全空间VS内才有效 见图2 dS 1应按下式计算 当SF 10时 dS 1 W SF 10 m 当SF 10时 dS 1 W m 3 式中W 格栅形屏蔽的网格宽 m 15 2 当闪电直接击在直接雷非防护区LPZ0A的格栅形大空间屏蔽上的情况下 则第一防护区LPZ1其内部Vs空间内某点的磁场强度H1应按下式计算 H1 kH io W dw A m 4 式中dr 被考虑的点距LPZ1区屏蔽顶的最短距离 m dw 被考虑的点距LPZ1区屏蔽壁的最短距离 m kH 形状系数 1 取kH 0 01 1 注 形状系数kH中的 1 为其单位 16 式 4 的计算值仅对距屏蔽格栅有一安全距离ds 2的空间Vs内有效 ds 2应符合下式的要求 ds 2 W m 5 控制设备应仅安装在Vs空间内 控制设备的干扰源不应取紧靠格栅的特强磁场强度 由于格栅型的屏蔽 使控制室内的磁场强度从Ho衰减为H1 H1应小于控制系统的脉冲磁场抗扰度Ha 该指标应由制造商提供 后面还再详述 17 计算实例1 已知 1 某化工装置的控制室为单层的独立建筑物 距该装置最高的精馏塔为30米 2 控制室内DCS机柜距屏蔽壁的最近距离为2 5米 3 DCS的脉冲磁场抗扰度为300A m 4 控制室屏蔽网格的材质为钢 格栅形屏蔽网格的最大宽度为2米 屏蔽钢筋的半径为5mm 5 控制系统的雷电防护等级为C级 雷电流峰值为100kA 求 该网格屏蔽大空间对磁场强度的衰减是否满足DCS的脉冲磁场抗扰度的要求 18 计算 1 按式 1 计算在闪电击于精馏塔时 当控制室无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度Ho Ho io 2 Sa A m 100 000 2 3 14 30 530 8 A m 2 按表1计算在首次雷击时的屏蔽系数SF SF 20 log 8 5 2 14 9 dB 19 3 按式 2 计算在网格屏蔽空间内的磁场从Ho减为H1 H1 Ho 10SF 20 530 8 10 94 4 A m 2 5m由上述计算可见 该控制室的网格屏蔽空间对磁场强度的衰减满足该DCS的脉冲磁场抗扰度的要求 控制室内DCS机柜距屏蔽壁的最近距离宜为2 98米 20 计算实例2 已知 1 如果闪电直接击在控制室所在的独立二层建筑物 控制室设在一楼 2 控制室内的DCS机柜距一楼屏蔽顶的最近距离为4米 3 屏蔽网格的最大宽度为2米 4 DCS的脉冲磁场抗扰度为300A m 5 控制系统的雷电防护等级为B级 雷电流峰值为150kA 求 DCS机柜距屏蔽壁的最短安全距离为多少 21 计算程序 根据建筑物雷电防护区的划分原则 由于建筑物的立面是单层的 所以位于一楼的控制室仍然属LPZ1区 按式 4 在闪电直接击在控制室所在建筑物的情况下 其内部LPZ1区内Vs空间内某点的磁场强度H1为 H1 kH io W dw 将已知数据代入 300 0 01 150 000 2 dw 41 2 所以 DCS机柜距屏蔽壁的最短安全距离为 dw 0 01 150 000 2 300 41 2 5 m 22 3已知控制系统的脉冲磁场抗扰度 求屏蔽网格的宽度W等参数 1 按式 1 计算在闪电击于网格屏蔽空间以外附近的情况下 当无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度Ho 2 按下式计算需要的屏蔽系数 SF 20log H0 Ha dB 6 23 3 按下表可求出格栅形屏蔽的网格宽度W 表中 w 屏蔽的网格宽 m r 屏蔽网格导体的半径 m 注 1如计算出的SF为负值时 取SF 0 2若建筑物具有网格形等电位连接网络 SF可增加6dB 3相对磁导系数 r 200 24 4 按式 3 可计算出仪表系统机柜离屏蔽层的最小安全距离ds 1 5 当闪电直接击在直接雷非防护区LPZ0A的网格屏蔽空间上的情况下 如第一防护区LPZ1其内部Vs空间内某点的磁场强度要小于控制系统的脉冲磁场抗扰度Ha的话 则网格宽W可按下式计算 W Ha dw dr1 2 kH io m 7 式 7 的计算值仅对距屏蔽格栅有一安全距离ds 2的空间Vs内有效 ds 2应符合式 5 的要求 控制设备应仅安装在Vs空间内 25 计算实例3 已知1 某装置的控制室为单层的独立建筑物 距该装置最高的塔设备为30米 2 控制系统的脉冲磁场抗扰度为300A m 3 控制室屏蔽网格的材质为钢 屏蔽钢筋的半径为5mm 4 控制系统的雷电防护等级为A级 雷电流峰值为200kA 求屏蔽网格的最大宽度和控制室内DCS机柜距屏蔽壁的最近安全距离 26 计算程序 1 按式 1 计算在闪电击于最高设备时 当控制室无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度Ho Ho io 2 Sa 200 000 2 3 14 30 1062 A m 2 按式 6 计算需要的屏蔽系数 SF 20log H0 Ha 20log 1062 300 11 dB 3 按表2所列公式计算出所需的格栅形屏蔽的网格宽度W W 10 1 62 m 4 按式 3 计算控制室内机柜距屏蔽壁的最近安全距离 dS 1 W SF 10 1 62 11 10 1 8 m 27 4关于控制系统的脉冲磁场抗扰度 IEC标准和国家标准 GB T17626 9 1999电磁兼容试验和测量技术脉冲磁场抗扰度试验 idtIEC61000 4 9 1993 规定了电气和电子设备对由雷击建筑物产生的脉冲磁场的抗扰度的试验方法和推荐的试验等级范围 该标准规定的脉冲磁场的试验等级如下表所示 试验磁场的波形为6 4 16 s的标准电流脉冲波形 磁场强度用A m表示 1A m相当于自由空间的磁通量密度为1 26 T 28 29 现在一般认为无屏蔽的计算机在雷电电磁脉冲的磁通量密度超过7 T时就会引起计算机误动作 失效 当超过240 T 190A m 时 就会造成晶体管 集成电路等的永久性损坏 这两个数据来源于美国通用研究公司 GeneralResearchCorporation R D 希尔建立的精确的类闪电 LikeLightning 模型 并于1971年用仿真实验确立 类闪电和自然界闪电并不严格等效 而且模型未考虑磁场随时间的变化率及脉冲磁场的形状 所以这两个数值只是作为一种估算的参考 30 考虑到控制室内的控制系统大多都安装在金属材质的机柜内 金属材质的机柜本身又是一道很好的屏蔽体 即机柜内部是控制室的后续防护区 所以在进行控制室的屏蔽设计时 如制造商没有提供数据 笔者建议 作为格栅形屏蔽大空间的控制室 而不是控制系统本身 对脉冲磁场强度的要求 在一般情况下可按小于300A m 378 T 考虑 在要求高的地方可按小于100A m 126 T 考虑 31 5工程用查表 为了便于工程设计 笔者按两种情况 分别计算了如表5和表6两种情况下的网格尺寸和距屏蔽壁最短安全距离 1 闪电击于控制室建筑物以外附近的情况下 可利用表5按雷电防护等级 仪表的脉冲磁场抗扰度选择网格宽度以及距屏蔽壁的最短安全距离 表5是在雷击点与屏蔽空间之间的平均距离为30m的条件下按式 1 3 6 以及表3计算出来的 32 33 2 闪电直接击在控制室建筑物上 格栅型大空间屏蔽的网格尺寸可利用表6按雷电防护等级 仪表的脉冲磁场抗扰度以及距屏蔽壁的最短安全距离进行选择 表6是在下列条件下按式 7 计算出来的 a 闪电直接击在控制室建筑物上 b 被考虑的点距LPZ1区屏蔽顶的最短距离取dr 1 5m 该表所示的网格宽度一般要远小于闪电击在控制室建筑物之外 所以比较可靠安全 34 35 值得注意的是 作为控制室格栅形大空间屏蔽的金属体不宜作为防直击雷装置的部件 特别是引下线 此外 当控制室建筑物为钢筋混凝土结构或砖混结构 并处于第二防护区 LPZ2