第5章控制室的屏蔽设计

第5章控制室格栅形屏蔽的设计计算

5.1 前言

磁场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磁场的干扰：

1）工频磁场它一般由周围的工频电流产生的，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）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脉冲磁场的威胁为最。近些年笔者在现场的调查中发现，强大的雷击电磁脉冲，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；重则会造成控制系统的失效或损坏，乃至存储在EPROM里的程序丢失，迫使生产装置停车。因而控制室外部的屏蔽设计也就显得十分重要。

控制室的屏蔽方式大体有建筑物的自身屏蔽、金属网格的格栅形大空间屏蔽以及用金属板材围成的壳体屏蔽等几种。壳体屏蔽的屏蔽效果好，但投资也大，适用于实验室装置。建筑物自身对屏蔽有一定的功能，但效果不甚理想。而格栅形大空间的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。

本章以格栅形大空间的抗雷电干扰的屏蔽为例，讨论如何按实际情况进行设计计算。它适用于控制室（包括操作室、机柜室等）、分析器室和变送器室的屏蔽设计。

整个设计计算可分下列两类命题：

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。

前者为分析所需，后者为设计所用。对控制室的网格屏蔽，IEC 61312-2[1]和IEC 62305-4[3]给出了第一类命题的计算方法。本章以控制室为例，提出第二类命题的计算方法。

5.2 计算步骤

当网格空间的屏蔽是由金属支撑物、金属门窗框架和钢筋混凝土的配筋等自然构件组成

时，本命题的计算步骤如下。

（1）在闪电击于网格空间屏蔽以外的情况下，在无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度H o，即相当于处在室外的磁场强度，可按下式（即安培环路定律）计算：

H o = i o／（2·л·S a）（A／m）（5.1）

式中i o──雷电流（A）；

S a──雷击点与屏蔽空间之间的平均距离（m）（图5.1）。

图5.1 附近雷击时的环境情况

Sa：雷击点至屏蔽空间的平均距离

对控制系统之类的电子信息系统，雷电流i o可以按雷电防护等级取值[2]。表5.1列出了不同雷电防护等级所对应的雷电流峰值。

表5.1不同雷电防护等级所对应的电流峰值

雷击点与屏蔽空间之间的平均距离S a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空间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，宜取离网格屏蔽空间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（5.4）和（5.5），即闪电直接击在屏蔽空间上的情况进行计算。

（2）若已知控制系统的脉冲磁场抗扰度为Ha。当有屏蔽时，在具有网格屏蔽的空间内，即控制室内的磁场强度应从Ho衰减为Ha，按下式可计算出需要的屏蔽系数：

SF=20 log(H0/H a) (dB) (5.2)

（3）按表5.2所列公式可求出屏蔽的网格宽度W。

（4）表5.2的计算值仅对在控制室内距屏蔽层有一安全距离d S/1（即控制系统机柜离屏蔽层的最小安全距离）的安全空间V S内才有效（见图5.2），d S/1应按下式计算：

当SF≥10时，d S/1 = W·SF／10 (m)

当SF＜10时，d S/1 = W (m) （5.3）

式中W──控制室屏蔽的网格宽（m）。

按式（5.3）可计算出控制系统机柜离屏蔽层的最小安全距离d s/1。

表5.2 网格屏蔽的网格宽度

注： 1 相对磁导系数μr ≈200；

2 w ──屏蔽的网格宽（m ），适用于W ≤5m ； r ──屏蔽网格导体的半径（m ）。

图5.2 在LPZ 1或LPZ n 区内放控制设备的空间

（5）当闪电直接击在直接雷非防护区LPZ0A 的网格空间屏蔽的情况下，如第一防护区LPZ1其内部V s 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 ≤ H a ·d w ·r

d ／（k H

·i o ） （m ） （5.4）

式中d r ──被考虑的点距LPZ1区屏蔽顶的最短距离（m ）； d w

──被考虑的点距LPZ1区屏蔽壁的最短距离（m ）； k H ──形状系数（1／m ），取k H =0.01（1／m ）。

（注：形状系数k H 中的（1／

m ）为其单位。

）

式（5.4）的计算值仅对距屏蔽格栅有一安全距离d s/2的空间V s 内有效，d s/2应符合下式的要求：

d s/2 = W (m) （5.5）

W

d S /1或d S /2

安放控制设备的空间V S

屏蔽

LPZ1或LPZn 区

A

A

A-A 断面