第5章控制室网格屏蔽模片.ppt

1、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.

2、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

3、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

4、以外时,8,在无屏蔽时的磁场强度： Ho = io（2Sa） （Am ） （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IEC 62305-4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

5、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 = Ho10SF/20 (Am) （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=20 log(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r200。,13,在LPZ 1或LPZ n区内放仪表设备的空间,屏蔽,安放仪表设 备的

6、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SF10时， dS/1 = WSF10 (m) 当SF10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 = kHioW（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

7、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

8、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（2Sa）（Am） =100,000/(23.1430)=530.8 (A/m) （2）按表1计算在首次雷击时的屏蔽系数SF： SF= =20log(8.5/2)/

9、=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 = Ho10SF/20 =530.8/10 =94.4 (Am) 2.5 m 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150

10、kA。 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 = kHioW（dw ） 将已知数据代入； 300=0.01150,0002/（dw 41/2 ） 所以，DCS机柜距屏蔽壁的最短安全距离为： dw =0.01150,0002/（30041/2 ） =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

11、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=20 log(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r200。,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

12、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 Hadwdr1/2（kHio） （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

13、（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（2Sa）=200,000/(23.1430)=1062 (A/m) （2）按式（6）计算需要的屏蔽系数： SF=20 log(H0/Ha)=20 log(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 = WSF10 =1.6211/10=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/T 17626.9-1999 电磁

14、兼容 试验和测 量技术 脉冲磁场抗扰度试验（idt IEC 61000-4-9:1993）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6.4/16s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1.26T。,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7T时就会引起计算机误动作（失效），当超过240T（190 A/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（General Resear

15、ch Corporation）R.D.希尔 建立的精确的类闪电（Like Lightning）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（378T）考 虑，在要求高的地方

16、可按小于100 A/m（126T）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（L