現(xiàn)場控制系統(tǒng)由于其現(xiàn)場的檢測、控制點(diǎn)比較分散，不同的現(xiàn)場表，如變送器、流量計(jì)等通常在各自的現(xiàn)場通過管道、支架等直接或間接接地，其信號工作回路到控制室接室內(nèi)的儀表地，控制室端可能還存在電氣保護(hù)地和防雷地，不同的接地之間難免出現(xiàn)電勢差，如果由于雷擊、短路等原因?qū)е码妱莶罴眲≡龃髸r(shí)，就會出現(xiàn)問題。
　　
　　現(xiàn)在有不少客戶常常把浪涌和干擾混為一談，干擾信號對設(shè)備的影響表現(xiàn)為一種高頻雜波，浪涌對設(shè)備的影響表現(xiàn)為物理上的摧毀或加速老化。對干擾信號的防護(hù)是采用屏蔽電纜或鎧裝電纜，而對浪涌的防護(hù)是加裝浪涌保護(hù)器，二者雖非完全互不相干，但所起的作用卻是大相徑庭。浪涌保護(hù)器在工作原理基本上都是采用等電位的原理，提前將浪涌電流泄放入地。信號浪涌保護(hù)器通常采用氣體放電管（GDT）、熱敏電阻、浪涌二極管和齊納二極管。電源浪涌保護(hù)器主要是采用壓敏電阻（MOV）、金屬間隙等。元器件質(zhì)量和設(shè)計(jì)方法的不同，會導(dǎo)致性能的極大不同。
　　
　　由于導(dǎo)致浪涌的原因很多、過程復(fù)雜及其不可預(yù)見性，使我們對于浪涌出現(xiàn)的幅值、位置、頻率及傳播方向難以進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。根據(jù)國外近二十年的研究和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。我們可以基本得出一些應(yīng)用規(guī)律。
　　
　　實(shí)際應(yīng)用中需要對我們的系統(tǒng)實(shí)施浪涌保護(hù)時(shí)，我們主要從兩個(gè)方面來考慮，一是系統(tǒng)的信號或通訊回路部分；二是系統(tǒng)的供電電源部分。
　　
　　1.2 應(yīng)用方案：
　　
　　1.2.1 信號回路：
　　
　　如果通訊線纜通向室外，如，PLC，DCS等控制回路。室外發(fā)生的直擊雷或感應(yīng)雷常常會在回路中形成非常強(qiáng)烈的浪涌，沖入室內(nèi)。如果大部分信號回路位于室內(nèi)，如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)線路上出現(xiàn)的浪涌主要是由于靜電放電或電磁波的侵入而造成的，越是高頻的電磁波，其穿透能力越強(qiáng)。對于這些通訊回路的保護(hù)采用的主要是串聯(lián)型的信號浪涌保護(hù)器，需要我們考慮到回路信號的工作電壓、負(fù)載電流、工作頻率和線纜的接頭方式。以確保其不會影響系統(tǒng)工作又、達(dá)到保護(hù)的效果，又可使工程的實(shí)施盡量簡便。由于系統(tǒng)的信號部分承受過電壓的能力較低，因此我們需要特別注意浪涌保護(hù)器的限制電壓這一項(xiàng)指標(biāo)，這個(gè)參數(shù)決定了浪涌保護(hù)器在泄放浪涌電流時(shí)，輸出端的電壓（限制電壓）。應(yīng)用于高度暴露環(huán)境時(shí)（如室外的變送器和室內(nèi)的I/O卡件進(jìn)行通訊時(shí)），在測試波形為6KV/3KA（8/20ms復(fù)合波形）時(shí)，限制電壓最優(yōu)應(yīng)低于2.5倍的正常工作電壓。
　　
　　另外常常有廠家提到浪涌保護(hù)器的反應(yīng)時(shí)間(Response Time)，我們認(rèn)為這個(gè)參數(shù)其實(shí)和殘壓是一回事，IEC標(biāo)準(zhǔn)中對殘壓（Limiting voltage）做了詳盡的介紹，一個(gè)顯然的事實(shí)就是，如果保護(hù)器的反應(yīng)時(shí)間慢，導(dǎo)致浪涌電流已經(jīng)通過，其輸出電壓（殘壓值）就高，這是肯定的；但并非可以就說，反應(yīng)時(shí)間短，其殘壓值就低，因?yàn)檫€涉及到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的問題。況且一個(gè)浪涌保護(hù)器中會采用多種性能不同，反應(yīng)時(shí)間各異的器件，我們不能用反應(yīng)時(shí)間最快的某種器件來代表其整體性能。在實(shí)際應(yīng)用中，進(jìn)入回路的浪涌是千差萬別的，同一種器件遇到上升時(shí)間不同的浪涌電流，其反應(yīng)時(shí)間也是不同的。我們可以肯定的認(rèn)為浪涌保護(hù)器在實(shí)際工作中，每次工作時(shí)，其反應(yīng)時(shí)間都是不同的。
　　
　　1.2.2 電源回路：
　　
　　根據(jù)應(yīng)用范圍不同，其差別很大。對于那些高度暴露的環(huán)境，如GSM基站、室外微波通訊設(shè)施，由于處于直擊雷的威脅之下。而對于各種類型的建筑物，如，智能大廈、控制電源機(jī)房等。由于其供電系統(tǒng)周圍采取了各種直擊雷保護(hù)措施，如避雷針、接地網(wǎng)，這些設(shè)施已經(jīng)泄放了絕大部分雷擊電流能量。因而由于直擊雷形成的浪涌威脅已經(jīng)大大降低。進(jìn)入室內(nèi)配電系統(tǒng)后，由于存在回路的分流和衰減作用，浪涌常?？梢越档礁偷姆秶?。
　　
　　所以在實(shí)施方案上，可以根據(jù)實(shí)際情況和預(yù)算費(fèi)用部署實(shí)施。例如針對非常重要的電源用戶可以在主電源系統(tǒng)、分電源系統(tǒng)及最終用戶位置實(shí)施初級(Primary)保護(hù)，如果在初級保護(hù)中使用的產(chǎn)品其殘壓值過高，可能還需要考慮次級(Secondary)甚至還有末級保護(hù)。
　　
　　電源浪涌保護(hù)器由于其使用環(huán)境的特點(diǎn)，內(nèi)部設(shè)計(jì)不僅要有過流熔斷保護(hù)，還要有完善的過熱熔斷保護(hù)，以防止在承受長時(shí)間的過電壓后，過熱引起設(shè)備起火（已有國外廠家的電源浪涌保護(hù)器在使用中發(fā)生多起起火，甚至爆炸的現(xiàn)象）。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)的電源浪涌保護(hù)器內(nèi)部都是采用氧化鋅壓敏電阻，所以北美的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)UL14492nd對這一點(diǎn)有明確的要求。大多數(shù)浪涌保護(hù)器的廠家都是使用普通MOV廠家提供的通用型的片狀，16mm直徑，標(biāo)稱值為3KA或6.5KA的MOV，通過把這些小粒的MOV疊加起來使浪涌保護(hù)器的抗浪涌能力達(dá)到幾十或上百KA。這種疊加的方式由于可以大批量地在市場上購買，因此極大地降低了生產(chǎn)成本。但是，這種設(shè)計(jì)方式也給浪涌保護(hù)器帶來了無法克服的缺陷。首先，由于MOV本身非線性的特征，采用疊加的辦法無法保證其實(shí)際的抗浪涌能力能達(dá)到設(shè)計(jì)水平，誤差可能會較大。每一粒MOV的耐熱、耐壓能力不盡相同，同時(shí)，小粒的MOV由于散熱能力較差，這種設(shè)計(jì)方式使浪涌保護(hù)器故障、失效的可能性大大增加。而且無限制的疊加是不可能的。疊加的設(shè)計(jì)方法卻使得限制電壓的增加很快，比如，測試電流(8/20ms復(fù)合波形)從3KA增加到10KA時(shí)，限制電壓卻會線性地由800V左右增加到2000V。這么高的限制電壓常常會導(dǎo)致我們的配電設(shè)施、用電設(shè)備更快地老化。如果采用直徑達(dá)40mm、3端子大塊MOV，這種大塊的MOV雖然在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)上有相當(dāng)?shù)碾y度，卻可以保證設(shè)備的浪涌通過能力達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（一片提供90KA的浪涌通過能力），同時(shí)其散熱能力也大大提高了，并且限制電壓這一重要指標(biāo)也得到了極大的改善，測試表現(xiàn)是一條平緩曲線，例如測試電流(8/20ms復(fù)合波形)從3KA上升到10KA時(shí)，限制電壓僅從800V左右上升到1000V左右。所以如果采用這種MOV，在實(shí)際中使用浪涌保護(hù)器時(shí)，就不需要設(shè)置多級保護(hù)，雖然性能不錯(cuò)，但缺陷是成本高。
　　
　　2.浪涌保護(hù)器在本安領(lǐng)域中的應(yīng)用
　　
　　在過程控制領(lǐng)域中，工廠常常有DCS，ESD，F(xiàn)&G等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)卻時(shí)刻處于附近的電源故障或雷擊造成的浪涌和瞬間過電壓的威脅之下。這些瞬間過電壓同時(shí)也影響著那些處于危險(xiǎn)區(qū)和安全區(qū)的設(shè)備，這些設(shè)備通過各種系統(tǒng)連接在一起。用于現(xiàn)場的各種電子設(shè)備，如流速、液位和溫度變送器也不能幸免。因此，很多工廠自己想辦法為他們的設(shè)備添加防雷保護(hù)裝置。然而，電子和電氣系統(tǒng)如用于易爆氣體環(huán)境，需先通過各種認(rèn)證，這就使問題變得復(fù)雜了。本文描述了浪涌保護(hù)器件和經(jīng)過認(rèn)證的本安系統(tǒng)共同用于危險(xiǎn)領(lǐng)域時(shí)的復(fù)雜過程。浪涌保護(hù)器的工作特性是它只能就地工作，提供保護(hù)。例如，安裝在機(jī)柜中的浪涌保護(hù)器只能為機(jī)柜中的通訊卡件提供保護(hù)。如果現(xiàn)場設(shè)備也需要保護(hù)，這就需要在現(xiàn)場增加保護(hù)器。這在各種標(biāo)準(zhǔn)中都有描述。如BS6651，SSCP33，AS1768。
　　
　　要阻止可燃性氣體被點(diǎn)燃可以通過將電氣能量限制在點(diǎn)燃水平以下。本安系統(tǒng)包括安全區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)的設(shè)備（見圖2），其通訊是通過能量有限的接口，通常稱為本安接口。在安全區(qū)，電氣設(shè)備連接在通過認(rèn)證的本安接口的一個(gè)端子上。在危險(xiǎn)區(qū)，現(xiàn)場設(shè)備在設(shè)計(jì)上不允許存儲或產(chǎn)生足以點(diǎn)燃可燃性氣體的能量。這些設(shè)備應(yīng)被認(rèn)證為本質(zhì)安全或簡單元件。這種在危險(xiǎn)區(qū)和安全區(qū)認(rèn)證的設(shè)備組合被證明在儀器和控制應(yīng)用中是非常成功的。
　　
　　2.2 用于本安系統(tǒng)中的浪涌保護(hù)器
　　
　　本安回路中的浪涌保護(hù)器件必須符合本安設(shè)備的設(shè)計(jì)和建筑標(biāo)準(zhǔn)，例如，它們要么根據(jù)其儲能元件和電壓產(chǎn)生元件被認(rèn)證為簡單元件，或根據(jù)應(yīng)用環(huán)境被認(rèn)證為滿足安全要求。
　　
　　一個(gè)典型的混和型浪涌保護(hù)器件包括一個(gè)氣體放電管鉗制器、串聯(lián)阻抗和浪涌二極管，或金屬氧化壓敏電阻，在本安接口控制上被認(rèn)為是簡單元件，因此符合本安應(yīng)用。在安全區(qū)一側(cè)，很多用戶和顧問們樂意將SPD提交給國內(nèi)或國際上的各種獨(dú)立測試機(jī)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)證，如EExia，BASEFFA，CSA。這種由第三方權(quán)威測試機(jī)構(gòu)作出的結(jié)論能給用戶們更進(jìn)一步的保證。
　　
　　2.2.1 簡單設(shè)備
　　
　　多年來，IEC和CENELEC標(biāo)準(zhǔn)中對于簡單設(shè)備的定義是：
　　
　　根據(jù)制造商提供的指標(biāo)，設(shè)備中無任何器件的參數(shù)超過1.2V，0.1A，20μJ，25mW。因而無需進(jìn)行任何測試和標(biāo)注。
　　
　　這一條款放在本安設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)該是一個(gè)更為完善的解釋。在美國，同等的定義是，'非儲能，不產(chǎn)生電壓的器件'。
　　
　　這一條款函蓋了諸如開關(guān)、熱電偶、RTD、LED等，并得到廣泛的應(yīng)用，這也是它得到本安系統(tǒng)接受的主要原因。絕大多數(shù)Telematic的SPD因被設(shè)計(jì)成低壓直流系統(tǒng)，而被視為簡單設(shè)備，因而在用于本安回路時(shí)無需認(rèn)證并不影響其安全性。那些通常用于危險(xiǎn)領(lǐng)域的設(shè)備需要第三方認(rèn)證為簡單設(shè)備，主要是因?yàn)橛脩粜枰@樣的文件作為一個(gè)附加的保險(xiǎn)措施。

2.2.2 SPD用于本安回路中時(shí)在設(shè)計(jì)上的考慮
　　
　　在設(shè)計(jì)上對SPD的考慮相當(dāng)于'開－閉'－有許多回路方案可供選擇，但常常我們并不清楚一個(gè)設(shè)計(jì)到底有多簡單；電感可用來降低回路阻抗，電容通常用來提供噪聲濾波－通常是不考慮這些器件對能量的存儲問題。
　　
　　因此應(yīng)該使用經(jīng)過本安或隔爆認(rèn)證的SPD。應(yīng)該注意的是，SPD自身并非是本安器件，盡管兩者在機(jī)械和電氣性能上有明顯的相同點(diǎn)。然而，盡管經(jīng)過認(rèn)證的SPD可用于本安回路中，并不是說就可以省去安全柵了。
　　
　　2.2.2.1 對控制室一端進(jìn)行保護(hù)
　　
　　SPD可以插入本安回路中的任何部分，放在安全柵和現(xiàn)場設(shè)備之間。在安全區(qū)，通常將它們安裝在儀表盤的背面或控制柜中。
　　
　　SPD可以直接連接在現(xiàn)場電纜的端子上，這樣在許多I/O設(shè)計(jì)中，可以取代接線端子。
　　
　　在安全區(qū)，SPD和安全柵在安裝上應(yīng)盡量靠近但不能靠在一起，盡管安裝硬件是相同的。
　　
　　此主題相關(guān)圖片如下：

　　
　　在控制室一端安裝浪涌保護(hù)器和安全柵
　　
　　2.2.2.2 對現(xiàn)場區(qū)域的保護(hù):
　　
　　在危險(xiǎn)區(qū)，SPD可以裝在防雨、防爆箱中保護(hù)附近的多個(gè)設(shè)備，或者，單個(gè)的變送器可以配裝各自的防雷保護(hù)器。有的變送器廠商為其變送器提供防雷器選件，這類選件通常是在變送器的輸入端子上添加MOV或浪涌二極管端子，這種端子的抗浪涌能力通常在1KA左右，低于BS6651和IEEE：C62.41中的標(biāo)準(zhǔn)。效果通常不佳，對于高度暴露環(huán)境，最好添加較高品質(zhì)的專用防雷器，以提高其抗浪涌防護(hù)能力。
　　
　　2.3 浪涌保護(hù)器在本安應(yīng)用中的接地
　　
　　在本安系統(tǒng)中，接地通常被認(rèn)為是件非常困難的事情。而接地規(guī)范看起來卻是相當(dāng)簡單的，將SPD插入本安回路對回路不會有什么影響。在應(yīng)用中使用不同的安全柵應(yīng)該有不同的考慮，包括SPD的位置。以下是我們應(yīng)該注意的幾個(gè)方面：
　　
　　a)本安回路中使用隔離柵時(shí)的接地
　　
　　b)本安回路中使用齊納式安全柵時(shí)的接地
　　
　　c)本安回路兩端同時(shí)使用防雷器時(shí)的接地
　　
　　2.3.1本安回路中浪涌保護(hù)器配合隔離柵時(shí)的接地
　　
　　隔離的本安接口通常是不需要將接地高度集成在一起的，因此防雷器的接地系統(tǒng)通常按照廠家推薦的方法。但如果隔離柵與一個(gè)已經(jīng)接地了的傳感器在一起使用，那么我們應(yīng)該在回路的兩側(cè)都考慮使用防雷器。
　　
　　2.3.2 本安回路中浪涌保護(hù)器配合齊納式安全柵的接地
　　
　　安全柵應(yīng)該連接在主電氣系統(tǒng)的接地上，或使用專用接地導(dǎo)體(12AWG)連接在等電位系統(tǒng)上，連接阻抗不應(yīng)超過1歐姆。防雷器也需要有效的接地系統(tǒng)，安裝基于安全柵的本安系統(tǒng)時(shí)應(yīng)符合設(shè)計(jì)人員在接地上的考慮細(xì)節(jié)要求，同時(shí)也把防雷器的接地考慮進(jìn)去。
　　
　　最好的方法是將安全柵和防雷器如圖3所示并排安裝在一起。圖5表示的是同時(shí)安裝使用安全柵和防雷器的一個(gè)完整的本安系統(tǒng)。(在本例中，安全柵和防雷器都是通過DIN導(dǎo)軌接地的，也可通過別的的可靠方式接地)
　　
　　此主題相關(guān)圖片如下：

 

 

　　
　　我們推薦的包含安全柵和防雷器的本安回路的接地系統(tǒng)
　　
　　根據(jù)這些要求，可以滿足本安和防雷器的接地需要，而不會相互影響。需要注意的是，應(yīng)將控制系統(tǒng)和主電氣系統(tǒng)之間的接地連接移走。否則，將會多出一條并聯(lián)路徑，浪涌可能會因此通過I/O系統(tǒng)，而這正是安裝浪涌保護(hù)器所要防止的。
　　
　　2.3.3 本安回路的兩端同時(shí)安裝浪涌保護(hù)器時(shí)的接地
　　
　　如果在本安回路的兩端都使用浪涌保護(hù)器時(shí)，可以采用兩個(gè)間接的回路接地。本安系統(tǒng)中的安全柵在安裝上通常要求整個(gè)回路能經(jīng)受500V的隔離測試(除了規(guī)定的端點(diǎn))。如果傳感器在連接時(shí)已經(jīng)接地了，那么隔離柵也就確定了。由于SPD的工作方式不一樣，它不能承受500V的隔離測試，因而在回路端口上安裝SPD從某種意義上講背離了本安的安裝要求。
　　
　　對于多點(diǎn)接地的情況，各個(gè)國家有自己的觀點(diǎn)。在英國，通常采用等電位連接的方法。在德國，也采用近似的方法，除非公共接地是在工廠的等電位網(wǎng)絡(luò)上。在美國，多點(diǎn)接地是允許的，盡管用戶們有時(shí)可能會遇到接地回路串?dāng)_的問題。
　　
　　國際電工委員會工作組通過工作實(shí)踐得出來的，SPD工作起來，象一個(gè)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，在承受過壓的情況下可以自動(dòng)斷開和重新恢復(fù)的設(shè)備。在一些我們無法控制的地方，SPD可以防止危險(xiǎn)的火花產(chǎn)生。如果10KA的浪涌或10KV的瞬間過電壓進(jìn)入工廠，與其讓它在一個(gè)我們不知道的地方打出火花，還不如采用一個(gè)可靠的方式將其泄入地下。IEC60079：14第四部分記錄了IEC協(xié)調(diào)各種標(biāo)準(zhǔn)后得到的結(jié)果。
　　
　　2.4 IEC79-14和浪涌保護(hù)
　　
　　在IEC79：14記錄了協(xié)調(diào)各種標(biāo)準(zhǔn)后的最新成果。在6.5節(jié)，建議應(yīng)該采用防雷保護(hù)的國家標(biāo)準(zhǔn)(在英國，是BS6651:1992)，12.2.4節(jié)中專門論述了本安回路的接地。圖4對于齊納式安全柵的接地也有指導(dǎo)意義。
　　
　　IEC79-14中的12.2.4節(jié)是這樣論述的:
　　
　　"在本安回路中，無隔離柵時(shí)，安全柵(如，齊納式安全柵)的接地端子應(yīng)該是這樣的：
　　
　　1)通過盡可能短的途徑接在等電勢系統(tǒng)上
　　
　　2)對于TN：S系統(tǒng)而言，應(yīng)連接在一個(gè)公共接地端上，并確保從連接點(diǎn)到主電源地極的阻抗不高于1歐姆。還可以連接在電源開關(guān)室的地極上或使用單獨(dú)的接地柱。地線應(yīng)絕緣，以防金屬件上的大電流通過地線侵入(如，控制機(jī)柜)。
　　
　　有兩點(diǎn)需要我們注意：
　　
　　a)齊納式安全柵的接地必須連接到電氣星型接點(diǎn)上，使用阻抗不超過1歐姆的接地導(dǎo)體。
　　
　　b)接地導(dǎo)體應(yīng)該作絕緣處理，以防帶入誤電流。
　　
　　這兩點(diǎn)通過采用圖4所示的方法可以做到。另外，這一部分專門推薦了采用浪涌保護(hù)器：
　　
　　"如果部分本安回路安裝在0區(qū)，各種設(shè)備之間可能會產(chǎn)生較高的電勢差，這對于精密設(shè)備是非常危險(xiǎn)的。例如，來自大氣中的放電。在信號電纜連接的設(shè)備一端采用浪涌保護(hù)器是非常可行的方法，距離最好是在1米以內(nèi)。例如，在易燃液體存儲罐附近，石化行業(yè)的液體處理工廠和蒸餾車間。危險(xiǎn)的高電勢差常常會出現(xiàn)在廠內(nèi)或暴露的設(shè)備上。這種危險(xiǎn)是不能通過安裝地線來解決的。
　　
　　2.5 結(jié)論：
　　
　　本文的結(jié)論是，用戶通過在自己的本安系統(tǒng)中采用經(jīng)過本安認(rèn)證的浪涌保護(hù)器可以為人員、設(shè)備和生產(chǎn)帶來一個(gè)更為安全的環(huán)境。