Статьи

Заземление в системах промышленной автоматизации

В 40% случаев причиной порчи или простоя оборудования нефтяной, автомобильной и горной промышленности является неправильное заземление. Кроме того, следствием неправильного заземления могут быть сбои в работе систем, выход из строя чувствительных элементов, повышенная погрешность измерений и так далее.

На данный момент в автоматизации заземление является, вероятно, самой плохо понимаемой темой. Основная сложность здесь связана с тем, что источники помех, пути их прохождения и приемники распределены в пространстве, а момент их появления  и местонахождение нельзя спрогнозировать. Измерения помех также затруднены, а точный теоретический анализ практически невозможен. Поэтому основанием для выбора метода заземления является как правило не математический расчет, а интуиция и опыт.

В данной статье речь пойдет исключительно о заземлении  в системах промышленной автоматизации, целью которого является обеспечение стабильного функционирования оборудования и обеспечение защиты персонала от поражения электрическим током.

Основные определения

Под заземлением подразумевается преднамеренное электрическое соединение электрической сети, электроустановки или оборудования, с заземляющим устройством, в роли которого может выступать как грунт Земли, так и некий «общий провод», относительно которого измеряется электрический потенциал. К примеру, в космическом корабле «землей» считается металлический корпус, а в приемнике с батарейным питанием -  систему внутренних проводников. Мы будем использовать под понятием «земля» именно заземляющее устройство в общем смысле этого слова. Отметим, что электрический потенциал земли относительно Земли не всегда равен нулю – к примеру,  в летящем самолёте потенциал земли (в данном случае – корпуса самолета) за счёт генерации электростатического заряда может достигать сотен или даже тысяч вольт относительно поверхности земного шара. В таких случаях можно говорить о «плавающей» земле – системе проводников, не соединенной с земной поверхностью.

Под заземляющим устройством понимается совокупность собственно заземлителя (то есть проводника, непосредственно соприкасающегося с землёй) и заземляющих проводников.

Общий провод или проводник –  проводник в системе, относительно которого измеряются электрические потенциалы. Как правило, он является общим как для источника питания, так и для подключённых к нему устройств. Общий провод во многих случаях является синонимом земли, при этом он может не иметь точек соприкосновения ч грунтом.

Защитное заземление – это электрическое соединение проводящих частей оборудования с грунтом Земли. Основная задача защитного заземления – защита людей от поражения электрическим током.

Сигнальным заземлением называется общего провода цепей передачи сигнала соединение с землёй.

Сигнальная земля подразделяется на цифровую и аналоговую (которую, в свою очередь, иногда делят на землю аналоговых выходов и входов). Силовая земля –  общий провод, соединённый с защитной землей, по которому протекает большой (в сравнении с током для передачи сигнала) ток.

Под глухозаземлённой нейтралью подразумевается нейтраль генератора или трансформатора, присоединённая к заземлителю либо непосредственно, либо через малое сопротивление (такое, к примеру, как трансформатор тока). Провод сети, соединенный с глухозаземленной нейтралью, называется нулевым проводом.

Изолированная нейтраль – не присоединённая к заземляющему устройству нейтраль генератора или трансформатора.

Зануление –  соединение оборудования с глухозаземлённой нейтралью (в сетях трёхфазного тока) или с глухозаземлённым выводом источника (в сетях однофазного тока).

В статье также будет использоваться термин «кондуктивный» (от «conductor», т. е. «проводник») –  то есть напрямую связанный с проводимостью материала.

Основные цели заземления

Единственная цель защитного заземления –  защита персонала от поражения электрическим током. Защитное заземление в системах автоматизации порой приводит к повышению уровня помех, но его применение обязательно (исключение – оборудование оборудования с напряжением питания до 42 В переменного или 110 В постоянного тока, кроме взрывоопасных зон). Поэтому исполнение силовой и сигнальной земли базируется на предположении, что защитное заземление имеется и выполнено в полном соответствии с ПУЭ.

В системах автоматизации правила заземления, используемого для уменьшения помехи от сети 50 Гц, зависят в первую очередь от того, глухозаземлена или изолирована нейтраль. Нейтраль заземляется для того, чтобы ограничить напряжение, которое может появиться на проводах в результате случайного соприкосновения с линиями более высокого напряжения, в результате пробоя изоляции или при прямом ударе молнии. Сети с изолированной нейтралью используются для обеспечения непрерывного электропитания при единичном повреждении изоляции (землю в сетях с глухозаземлённой нейтралью при пробое изоляции срабатывает защита и в результате питание сети прекращается).

Также необходимо иметь в виду, что в сетях с глухозаземлённой нейтралью при пробое изоляции на землю возникновение искры неизбежно. В сетях с изолированной нейтралью в таких случаях искра отсутствует. Это особенно важно при обеспечении энергопитании оборудования, находящегося во взрывоопасной зоне.

Сигнальная земля предназначена для упрощения электрической схемы и общего удешевления системы промышленной автоматизации. При ее использовании  в качестве общего провода для разных цепей становится возможным применять для электрической цепи вместо нескольких «плавающих» источников питания единый источник. При этом электрические цепи без земли (без общего провода) можно превратить в цепи с общим проводом – и наоборот.

Сигнальные земли можно подразделить на базовые (используемые для отсчета и передачи сигнала) и экранные (для заземления экранов кабелей, экранирующих перегородок и т.д. , а также для снятия статических зарядов с трущихся деталей оборудования). Базовая сигнальная земля, кроме того, может быть использована для «привязки» потенциала изолированной части цепи к земле системы.

Защитное заземление зданий

В качестве защитных заземляющих проводников используются как искусственные, так и естественные заземлители (такие, к примеру, как железобетонные или стальные каркасы зданий, металлоконструкции, стационарные металлические трубопроводы – исключая, разумеется, трубопроводы взрывоопасных и горючих веществ, центральное отопление и канализацию). Если проводимость естественных заземлителей удовлетворяет требованиям к заземлению,  использовать дополнительные проводники нет необходимости.

В случае если их сопротивление естественных заземлителей выше норм, установленных ПУЭ, используются специально изготовленные (искусственные) заземлители. Конструктивно искусственные заземлители представляют собой пруты, уголки, трубы, помещенные в землю (горизонтально на глубину не менее 50-70 сантиметров, вертикально на глубину в 3 метра). Для того чтобы потенциал земли распределялся более равномерно, обычно используют несколько заземлителей, соединенных стальной полосой. При этом не рекомендуется образовывать замкнутый контур значительной площади – в таком случае образуется своеобразная «антенна», в которой во время грозы может циркулировать большой ток. Наиболее эффективно заземление в случае, когда заземлители присоединены друг к другу в форме сетки, и площадь каждого контура, соответственно, намного меньше общей площади.

Несмотря на многочисленные советы при разводке шин заземления по зданию избегать контуров, на практике не всегда удается этого избежать – особенно когда речь идет о естественных заземлителях. Например, при возведении промышленных зданий арматурные прутья железобетонных конструкций свариваются между собой. В итоге получается металлическая клетка, соединенная с грунтом своей нижней частью. Заземляющим контактом для оборудования в таких случаях служит болт заземления, приваренный к закладной металлоконструкции фундамента или колонны. В зданиях, где предполагается размещать оборудование связи, систему заземляющих проводников выполняют в виде сетки, выполняющей также функции электромагнитного экрана.

Автономное заземление

На промышленных объектах к системе защитного заземления могут быть подключены силовые установки, поставляющие в провод заземления значительный ток помехи. По этой причине для точных измерений может монтироваться отдельное искусственное заземление в грунт, соединяющееся с общим заземлением здания (для выравнивания потенциала) только в одной точке.

Еще один вариант автономной системы заземления можно получить, используя изолированный провод, не соприкасающийся с металлоконструкциями здания, но соединенный с основной клеммой заземления (у ввода нейтрали питающего фидера). В таких случаях шина заземления делается из меди, а ее поперечное сечение должно быть не меньше 13 квмм.

Заземляющие проводники

Чтобы снизить активное и индуктивное сопротивление заземляющих проводников, соединяющих оборудование с заземлителями, длина их должна быть минимальной. К примеру, на частотах более 1 МГц для эффективного заземления проводник должен быть короче 1/20 (оптимально – даже 1/50 длины) волны самой высокочастотной гармоники в спектре помехи. За максимальную частоту влияющей помехи при наличии фильтров можно принимать верхнюю граничную частоту фильтра.

При длине волны 30 м (частота помехи 10 МГ) и длине проводника, равной четверти длины волны (то есть  7,5 м), модуль его комплексного сопротивления на частоте помехи будет равен бесконечности. Иными словами, такой проводник можно использовать в качестве изолятора – но не для заземления оборудования.

Индуктивное сопротивление провода заземления на частоте помехи f рассчитывается по формуле:

XL = 2 π f L l,

где l – длина провода; L — погонная индуктивность провода (в типовых случаях равная примерно 0,8 мкГн/м).

В случае, когда провода заземления располагаются в непосредственной близости друг от друга, между ними через взаимную индуктивность возникает передача помехи, особенно значительная на высоких частотах.

Отметим, что проводники заземления также не должны образовывать замкнутых контуров, являющихся приёмниками электромагнитных наводок. Также проводники не должны соприкасаться с предметами из металла – случайные контакты такого рода могут стать причиной появления дополнительных помех.

Электрическая модель системы заземления

С учетом всего вышеизложенного, можно рассмотреть электрическую модель системы заземления, представленную на рисунке 1. При моделировании предполагалось, что в состав системы заземления входят заземляющие электроды, соединенные сплошной шиной заземления; к шине приварена пластина (клемма) заземления, к которой подсоединяются два проводника (шины) заземления. К шинам в свою очередь подключается заземляемое оборудование

Рис. 1. Электрическая модель системы заземления

В случае, если заземляющие проводники (или шины заземления) находятся рядом друг с другом, между ними возникает магнитная связь с коэффициентом взаимной индукции M.

Каждый участок проводника (шины) при этом имеет индуктивность Lij, сопротивление Rij, и в нём путём электромагнитной индукции наводится электродвижущая сила Eij. К шине подсоединено оборудование, поставляющее в шину заземления ток помехи In21... In23, а также ток питания, возвращающийся по шине земли к источнику питания.

На рисунке также можно увидеть сопротивление между заземляющими электродами R Земли и ток помехи In Земли, протекающий по земле, например, при коротком замыкании оборудования или ударах молнии.

В случаях, когда шина сигнального заземления используется также для питания системы автоматизации (отметим, что таких решений лучше избегать), необходимо учитывать её сопротивление.

Если частота помехи более МГц, значительно увеличивается роль индуктивного сопротивления цепи заземления, а также индуктивной и ёмкостной связи между участками цепей. В таком случае проводники заземления начинают излучать электромагнитные волны, становясь источником помех.

На высоких частотах экран кабеля или проводник заземления, проложенный параллельно стене или полу, вкупе с заземлёнными металлоконструкциями образует короткозамкнутую на конце длинную линию, волновое сопротивление которой составляет около 500-1000 Ом. В связи с этим  сопротивление проводника для высокочастотных помех определяется не только индуктивностью проводника, но и явлениями, связанными с интерференцией между падающей волной помехи и отражённой от заземлённого конца провода.

Зависимость модуля комплексного сопротивления проводника  между точкой его подключения к оборудованию и ближайшей точкой железобетонной конструкции здания от длины этого проводника приблизительно описывается формулой для двухпроводной воздушной линии передачи:

Zвх ≈ Rв tg (2π L/λ),

где L – длина проводника заземления, Rв – волновое сопротивление, λ – длина волны помехи.

Расчет длины волны помехи производится по формуле λ ≈ c/f, где с – скорость света в вакууме, равная 300 000 км/с, f – частота помехи.

Мы видим, что, шина заземления в общем случае является «грязной» землёй, выступающей в роли источника помех, имеющей активное и индуктивное сопротивление. В такой ситуации шина заземления является эквипотенциальной с точки зрения защиты персонала от поражения электрическим током –  но не является таковой с точки зрения передачи сигнала.

Виды заземлений

Один из способов минимизации вредного влияния заземления на системы автоматизации –  раздельное исполнение цепей заземления для устройств, являющихся источниками помех разной мощности или же имеющих разную чувствительность к помехам. Такой подход к системам земель позволяет соединять их с защитным заземлением в одной точке. В таком случае разные системы земель можно сравнить с лучами звезды, соединяющиеся в месте контакта с шиной защитного заземления здания.  При таком подходе помехи «грязной» земли не протекают по проводникам «чистой». В итоге, несмотря на взаимную обособленность систем заземления,  все они соединены с Землёй через систему защитного заземления здания. Единственным исключением является «плавающая» земля (см. ниже).

Силовое заземление

Системы промышленной автоматизации могут включать в себя устройства, ток потребления которых намного превышает ток потребления модулей ввода/вывода и контроллеров. Цепи питания такого оборудования для уменьшения излучаемых помех выполняют отдельной парой свитых проводов, один из которых соединяется с шиной защитного заземления. Силовой землей является общий провод такой системы (в большинстве случаев это провод, подключённый к отрицательному выводу источника питания).

Аналоговая и цифровая земля

Современные системы автоматизации являются аналого-цифровыми, и помеха, создаваемая цифровой частью системы является одним из источников погрешностей для аналоговой части. Чтобы исключить прохождение помех через систему заземления, аналоговую и цифровую землю выполняют в виде не связанных между собой проводников, соединяющихся только в одной точке. По этой причине промышленные контроллеры и модули ввода/вывода имеют отдельные выводы цифровой земли (DGND) и аналоговой земли (AGND).

«Плавающая» земля

О «плавающей» земле мы говорим в случаях, когда общий провод некоторой части системы не соединяется с шиной защитного заземления (то есть с Землей). Типичными примерами могут служить бортовые системы летательных аппаратов или автоматика автомобиля. «Плавающую» землю можно получить также с помощью преобразователей DC/DC или AC/DC, если вывод вторичного источника питания в них не заземлён. Такое техническое решение позволяет на 100% исключить кондуктивные наводки через общий провод заземления. Отметим, что в таких случаях допустимое синфазное напряжение может достигать 300 вольт и более; синфазная помеха на выход системы подавляется практически полностью; также значительно снижается влияние емкостных помех. Но необходимо учитывать, что на высоких частотах токи через емкость на землю значительно снижают подавление синфазных и емкостных помех.

В случае если «плавающая» земля получена при помощи DC/DC преобразователей и устройств гальванической развязки на оптронах, необходимо также принимать особые меры для того, чтобы предотвратить накопление заряда в емкости между «плавающей» землей и Землей, что может привести к пробою оптрона.

«Плавающая» земля обычно используется в технике измерений малых сигналов, в системах промышленной автоматизации она применяется довольно редко.

Модели компонентов систем автоматизации

Для дальнейшего рассмотрения систем заземления необходимо получить представление о структуре модулей систем промышленной автоматизации. На рисунках 2, 3 и 4 представлены модели типовых модулей аналогового и дискретного ввода и вывода. В целях упрощения на рисунках не показаны входные сопротивления (которые иногда нужно учитывать).

Использованные обозначения: DGND – цифровая земля, AGND – аналоговая земля, GND – земля источника питания порта связи, Data – информационный порт модуля (вход/выход данных), Ain – аналоговый вход, Aout – аналоговый выход, Din – дискретный вход, Dout – дискретный выход, Vпит – клемма подключения источника питания. Разрыв в изображении модуля означает гальваническую изоляцию между частями.

Рис. 2. Обобщённые модели аналоговых модулей ввода и дискретного вывода для анализа систем заземления:
а — без гальванической изоляции; б — с гальванической изоляцией аналоговых входов; в — с изоляцией как входов, так и выходов

 

Модули аналогового ввода и дискретного вывода бывают без гальванической изоляции, как мы можем увидеть на рисунке 2а, где приведен пример модели модуля CL8AI фирмы НИЛАП. На рисунке 2б представлен пример модели модуля ADAM4016 фирмы Advantech с изоляцией аналоговых входов и без изоляции дискретных выходов. На рисунке 2в можно увидеть пример модели модуля NL8TI фирмы НИЛ АП  с изоляцией одновременно как аналоговых входов, так и дискретных выходов.

Рис. 3. Обобщённые модели дискретных модулей для анализа систем заземления:
а — без гальванической изоляции; б — с изоляцией входов; в — с изоляцией и входов, и выходов

Модули с дискретными или счётными входами и дискретными выходами также могут выполняться без гальванической изоляции – например, на рисунке 3а приведен пример модели модуля ADAM4050 фирмы Advantech. На рисунке 3б — пример модели модуля ADAM4052 фирмы Advantech с изоляцией входов, а на рисунке 3в —  модуля NL16DI фирмы НИЛ АП с изоляцией как входов, так и выходов.

Рис. 4. Обобщённая модель модулей аналогового вывода для анализа систем заземления

На рисунке 4 приведена обобщенная модель модулей аналогового вывода, который обычно делают обычно с гальванической изоляцией выходов.

Таким образом, мы видим, что один модуль ввода/вывода может содержать до трёх различных выводов земли.

Гальваническая изоляция

Эффективным решением большинства связанных с заземлением проблем является гальваническая развязка цепей, применение которой в системах промышленной автоматизации фактически уже стало стандартом. Основная идея заключается в полном устранении пути, по которому возможна передача кондуктивной помехи.

Для того, чтобы выполнить гальваническую развязку (изоляцию), необходимо организовать подачу энергии и передачу сигнала в изолированную часть цепи заземления. Энергия подается при помощи развязывающего трансформатора (в DC/DC или AC/DC-преобразователях) или автономных источников питания (гальванических батарей и аккумуляторов), а передача сигнала производится через элементы с магнитной связью, оптроны и трансформаторы, конденсаторы или оптоволокно. Система автоматизации при этом делится на автономные изолированные подсистемы, не связанные между собой проводниками, при этом каждая подсистема имеет свою локальную землю и заземляется  только для обеспечения электробезопасности и локальной защиты от помех.

Использование гальванической изоляции исключает появление паразитных токов по земле, снижая тем самым индуктивные наводки, и практически до нуля уменьшает напряжение синфазной помехи на входе дифференциального приёмника и аналогового сигнала. Кроме того, гальваническая развязка защищает от пробоя вследствие синфазного перенапряжения входные и выходные цепи модулей ввода и вывода.

Единственным существенным недостатком цепей заземления с гальванической развязкой является повышенный уровень помех от DC/DC-преобразователя. В то же время для низкочастотных схем уровень помех можно значительно снизить при помощи  цифровой и аналоговой фильтрации. На высоких частотах емкость между обмотками трансформатора и емкость подсистемы на землю являются факторами, сильно нивелирующими достоинства гальванической изоляции. Отметим, что применение оптического кабеля и уменьшение геометрических размеров гальванически изолированных подсистем позволяет значительно уменьшить емкость на землю.

Источники помех на шине земли

Помехи, воздействующие на оборудование промышленной автоматики, в большинстве случаев протекают и по цепям заземления, создавая вокруг проводников паразитное электромагнитное поле и провоцируя падение напряжения помехи. Причины помех могут быть разнообразными: статическое электричество,  молния, «шумящее» оборудование, сеть питания 220 В с частотой 50 Гц, переключаемые сетевые нагрузки, гальванические пары, электролитические процессы, движение проводника в магнитном поле и многое другое.

Центры стандартизации и сертификации всех стран мира не разрешают производство оборудования, являющегося источником помех недопустимо высокого уровня. Но, тем не менее, уровень помех невозможно свести к нулю. Для снижения этого уровня при конструировании электронной аппаратуры используется микромощная элементная база с минимально достаточным быстродействием. Широко практикуется также экранирование проводников и уменьшение их длины.

Характеристики помех

Основной характеристикой помехи является  зависимость спектральной плотности мощности помехи от частоты. В цепях заземления и сигнальных систем промышленной автоматизации содержится весь спектр возможных помех, но влияние оказывают только помехи, частоты которых лежат в полосе пропускания систем автоматизации.

Помехи, оказывающие свое воздействие на оборудование систем промышленной автоматизации, могут иметь спектр от нулевой частоты до единиц гигагерц (см. рисунок 5).

Рис. 5. Относительный уровень спектральной плотности мощности и частоты основных источников электромагнитных помех

В полосе пропускания аналоговых схем лежат помехи в полосе до десятков килогерц. На цифровые цепи влияют помехи частотой до сотен мегагерц. Помехи гигагерцевого диапазона непосредственного влияния на системы автоматизации не оказывают, но после детектирования в нелинейных элементах порождают низкочастотные помехи, которые находятся в границах воспринимаемого спектра.

Среднеквадратическое значение напряжения (или тока) помехи Епомехи определяется шириной её спектра по следующей формуле:

где: e2 (f) – спектральная плотность мощности помехи, В2/Гц; fн и fв – соответственно нижняя и верхняя границы спектра помехи.

В случае, если e2 (f) слабо зависит от частоты, соотношение значительно упрощается:

Следовательно, для того, чтобы уменьшить влияние помех, необходимо сузить ширину полосы пропускания (fв – fн) аналоговых модулей ввода и вывода. К примеру, если постоянная времени датчика τ составляет 0,3 с, что приблизительно соответствует полосе пропускания сигнала

ограничение полосы пропускания модуля ввода величиной 0,5 Гц позволит уменьшить уровень помехи и тем самым снизить требования к заземлению, экранированию и монтажу системы и повысить точность измерений. В то же время фильтр вносит динамическую погрешность в результаты измерения. Величина погрешности зависит от частоты (спектра) входного сигнала. Если частота входного сигнала, как и в рассмотренном нами примере, составляет 0,5 Гц, вносимая фильтром погрешность будет равна 0,05%.

В системах автоматизации наиболее существенной является помеха с частотой питающей сети 50 Гц. Для ее подавления обычно используют узкополосные фильтры, точно настроенные на данную частоту.

Отметим, что в некоторых случаях наличие фильтра не может минимизировать помехи. Если высокочастотная помеха, перед тем как попасть на вход модуля ввода, выпрямляется на нелинейных элементах (например, контактах разнородных металлов или защитных диодов), то из сигнала помехи выделяется низкочастотная или постоянная составляющая, которую фильтр модуля ввода уже не в состоянии ослабить.

Помехи из сети электроснабжения

Рис. 6. Виды помех, проникающих из сети питания: а — от разряда молнии; б — при переключении индуктивной нагрузки; в — от радиостанций

Питающая сеть 220/380 В с частотой 50 Гц, а также подключённые к ней блоки питания являются источниками целого ряда помех. Наибольшее влияние на системы автоматики оказывают фон с частотой 50 Гц; выбросы напряжения от разряда молнии (см. рисунок 6а) и кратковременные затухающие колебания при переключении индуктивной нагрузки (см. рисунок 6б). Кроме того, питающая сеть является источником высокочастотного шума, наложенного на синусоиду 50 Гц (см. рисунок 6в); инфранизкочастотного шума (он проявляется как нестабильность во времени величины среднеквадратического значения сетевого напряжения) и долговременного искажения формы синусоиды и гармоники при насыщении сердечника трансформатора или по другим причинам.

Для того, чтобы уменьшить кратковременные выбросы напряжения, используются защитные диоды и варисторы; искажения синусоиды и инфранизкочастотный шум фильтруются стабилизатором и сглаживающими фильтрами сетевого источника питания.

Самой существенной помехой, проникающей в цепи заземления из сети электроснабжения, являются емкостные токи, протекающие через емкость между корпусом двигателя и его обмоткой,  токи между сердечником и  сетевой обмоткой трансформатора, а токи, протекающие через конденсаторы сетевых фильтров.

Наличие емкости приводит к тому, что при отсутствии заземления потенциал металлического корпуса приборов, подключённых к электросети, составляет от нескольких десятков до 220 В (в зависимости от сопротивления утечки на землю). Поэтому корпуса подключенных к сети электроприборов обязательно должны быть заземлены.

При использовании DC/DC и AC/DC-преобразователей к источнику помехи  добавляется ёмкостная и индуктивная наводка от собственного генератора преобразователя. По этой причине уровень помех на общем проводе в таких случаях преобразователей выше, чем в источниках с обычным силовым трансформатором.

Для того, чтобы уменьшить проникновение помехи, в источниках питания используют разделение сигнальной и корпусной земли и раздельное экранирование первичной и вторичной обмоток трансформатора (см. рисунок 7). На схеме сплошной жирной линией обозначен металлический корпус электроприбора, кружками обозначены клеммные соединители.

Рис. 8. Источник питания с тремя типами земель (слева направо): защитной, экранной и сигнальной

Молния и атмосферное электричество

Одной из самых распространенных причин сбоев, отказов или нежелательных перенапряжений в системах промышленной автоматизации являются молнии. Средняя частота поражения молнией здания высотой 20 метров с размерами в плане 10Х10 метров – раз в пятьдесят лет; здания с размерами в плане 100Х100 метров – раз в пять лет. А количество прямых молниевых ударов в Останкинскую телевизионную башню, высота которой равна 540 метров – около 30 в год.

Накапливаемый в грозовых облаках заряд имеет отрицательный потенциал, величина которого относительно поверхности Земли может достигать нескольких миллионов вольт. Средняя длительность разряда молнии составляет в среднем 0.2 секунды; длительность переднего фронта импульса – от 3 до 20 мкс;  ток составляет несколько тысяч ампер и может доходить до 100 кА; а температура в грозовом канале  - до 20 000°C. Также молнии могут образовываться  при метелях, пылевых бурях и извержениях вулканов.

Чтобы обеспечить защиту от прямого удара молнии, используются молниеотводы, состоящие из находящегося над зданием штыря (молниеприемника), заземлителя и проводника, соединяющего их. В результате образуется низкоимпедансный путь для прохождения на землю тока молнии на землю, минуя структуры здания. Заземлитель молниеотвода выполняют отдельно от защитного заземления здания, но соединяют с ним для выравнивания потенциалов и устранения возможных искрений.

На системы промышленной автоматизации молнии воздействуют посредством электромагнитного импульса (он может пережечь провода малого поперечного сечения  и вывести из строя устройства гальванической развязки).

Кроме молний, с грозой связано еще и атмосферное электричество. Отметим, что электрический потенциал грозового облака может доходить десятков десятки миллионов вольт.  Высокая напряжённость электрического поля может наводить заряды в «плавающих» цепях и приводить к пробою оптронов в модулях гальванической развязки.

Гальванически изолированные цепи, не имеющие низкоомного пути на землю, для защиты от атмосферного электричества помещаются в заземлённый электростатический экран. Экран кабеля заземляется только в одной точке

Статическое электричество

Статическое электричество возникает на диэлектрических материалах, при этом на величину  заряда влияют материал трущихся тел, скорости их движения, а также площадь поверхности соприкосновения.

Наиболее общим примером генератора статического электричества может служить ремённый привод, состоящий из двух шкивов и диэлектрического ремня. Потенциал заряда статического электричества на ремне может достигать 100 кВ, а пробиваемый воздушный промежуток – 9 см. Конвейерные ленты (еще один классический пример трущегося тела)  движутся с более низкой скоростью, поэтому  электризуются не так сильно, как ремённый привод.

Для уменьшения зарядов на трущихся телах на взрывоопасных производствах ремни используют с проводящими присадками или металлизацией. Для снятия зарядов с электризующихся предметов можно использовать  заземлённый подпружиненный металлический гребешок или щётку, касающиеся движущейся поверхности. Еще один эффективным способом борьбы со статическим электричеством – установка в производственном помещении увлажнителя воздуха (для получения влажности выше 50%).

Помехи, возникающие в результате появления статических электрических зарядов, могут быть следующими: пробой входных каскадов измерительных систем; поток ошибок в цифровых системах; появление линий на ЭЛТ-мониторах, переход триггеров в другое состояние; воспламенение взрывоопасных веществ; пробой изоляции гальванически изолированных цепей с большим сопротивлением на землю. Чтобы обеспечить защиту систем промышленной автоматизации от таких сбоев, применяют преобразователи интерфейсов с защитой от статического электричества и электростатические экраны, соединённые с экранным заземлением.

Кондуктивные наводки

Кондуктивными наводками называются помехи, передающиеся  из соседних электрических цепей не через электромагнитное поле, а путём переноса электрического тока по проводникам, общим для обеих цепей (в большинстве случаев это общие участки цепей питания или заземления).

Основными источниками таких помех являются цепи с большим током, генераторы, реле, DC/D- и AC/DC-преобразователи, цифровая часть аналого-цифровой схемы, шаговые двигатели с импульсным питанием, мощные печи с ШИМ-управлением. Также источником кондуктивных наводок являются помехи из сети питания, протекающие по общему участку заземления, и помехи с частотой преобразования источника бесперебойного питания (UPS).

В системах автоматизации самой частой причиной появления кондуктивных помех является неправильно выполненное заземление.

Электромагнитные наводки

Причина возникновения электромагнитных наводок –  явления электромагнитной индукции. В проводящем контуре, находящемся в электромагнитном поле, возникает электродвижущая сила индукции (в случае, если контур разомкнут) или же  индукционный ток (в случае, когда контур замкнут).

Источниками электромагнитного поля помехи может оказаться компьютер, радиостанция, сотовый передатчик,  радиотелефон, трамвай, электросварочный аппарат, люминесцентные лампы, реле регулятора, мощные выходы дискретных модулей, удар молнии и многое другое. Помехи излучаются с помощью случайных проводников, образующих рамочную или же дипольную антенну. Дипольная антенна – источник в основном электрического поля, рамочная – магнитного. Вдали от таких источников доминирующее поле отсутствует,  есть поперечная электромагнитная волна.

Электромагнитные помехи наводятся на все проводящие предметы – они в данном случае исполняют роль антенн. Мощность помехи зависит от длины провода или же от площади контура, охваченного проводником. Наведённая в такой антенне помеха может  кондуктивным путём передаваться в заземляющие или сигнальные цепи, что влечет за собой погрешность передачи сигнала (в аналоговых схемах) или поток ошибок (в цифровых).

Самыми часто встречающимися приемниками электромагнитных помех являются провода большой длины (промышленные сети, цепи заземления, кабели информационных коммуникаций, соединяющие датчики и модули аналогового ввода). Также в роли приемников могут выступать металлические конструкции, размещенные в зданиях – такие, как металлические стеллажи, трубы водоснабжения и отопления здания, окна с металлическими рамами или защитное контурное заземление здания.

Бороться с электромагнитными помехами можно при помощи уменьшения площади принимающего помеху контура, а также путем применения витых пар проводов в сочетании с дифференциальным способом передачи сигнала.