二線制變送器端口抗擾度分析及抑制對(duì)策

盧慧慧，沈 寰，石 烜，苑世寧，楊仲江

（1.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京210044；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司，天津 300456）

二線制變送器端口抗擾度分析及抑制對(duì)策

盧慧慧1，沈 寰2，石 烜2，苑世寧2，楊仲江1

（1.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京210044；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司，天津 300456）

為了避免二線制變送器遭受雷電浪涌的破壞，對(duì)其端口進(jìn)行浪涌抗擾度試驗(yàn)。試驗(yàn)電路分為直接耦合以及阻抗耦合兩種，觀察變送器在組合波的不同浪涌等級(jí)沖擊下的抗擾度水平。試驗(yàn)表明，變送器在直接耦合的狀態(tài)下抗浪涌能力很低，幅值為50 V的組合波已致其損壞。而變送器在阻抗耦合的條件下，抗擾度大幅提高，10 kV的組合波對(duì)變送器也不造成損害。多種退耦電阻以及兩種型號(hào)的TVS管組成的浪涌保護(hù)器在組合波沖擊下，當(dāng)退耦電阻阻值為2.1 Ω時(shí)，TVS管的殘壓較小且浪涌保護(hù)器的前級(jí)泄放了大部分電流。

變送器；抗擾度；雷電浪涌；電涌保護(hù)

0 引言

工業(yè)的高速發(fā)展促使生產(chǎn)規(guī)模不斷增大，因而自動(dòng)化需求也越來越多。通常在生產(chǎn)過程中需要測(cè)量壓力、溫度、氣體濃度等指標(biāo)。二線制變送器不僅能實(shí)現(xiàn)這類非電物理量的遠(yuǎn)距離測(cè)量，而且電路簡單、能耗低，因而在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用。例如：石油鉆井平臺(tái)擁有大量可燃?xì)怏w檢測(cè)探頭，主要采用二線制變送器傳感方式。但在實(shí)際使用過程中，二線制變送器耐電涌能力較低，直擊雷與雷電感應(yīng)產(chǎn)生的浪涌極易毀壞變送器，并損壞終端設(shè)備，造成生產(chǎn)鏈的癱瘓。因此，二線制傳感器浪涌抗擾度試驗(yàn)顯得尤為重要。通過試驗(yàn)，可以模擬出變送器在不同條件下的浪涌抗擾度水平，如若抗擾度不滿足要求，需要采取相關(guān)措施提高浪涌抗擾度。

目前針對(duì)線路及設(shè)備抗浪涌沖擊的手段，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了一些研究。例如劉芳[1]通過計(jì)算機(jī)電源端口的浪涌試驗(yàn)找出了其電源浪涌抗擾水平最低的情況；彭發(fā)東[2]等運(yùn)用沖擊抗擾度試驗(yàn)確定高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的耐受浪涌等級(jí)，并改進(jìn)電路提高浪涌抗擾水平。吳勁夫[3]從理論的角度分析了開關(guān)型SPD與限壓型SPD的兩級(jí)能量配合方式的可行性；李博等[4]驗(yàn)證了氣體放電管（GDT）與瞬態(tài)抑制二極管（TVS）的能量配合的可行性;李清泉等[5]運(yùn)用波過程理論進(jìn)行了金屬氧化物壓敏電阻（MOV）與TVS的配合示例性的探討，提出了兩級(jí)配合的波過程理論的計(jì)算方法；盧燕[6]對(duì) GDT，MOV，TVS的三級(jí)配合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了初步研究，并與其他能量配合方式進(jìn)行了對(duì)比分析，得出了一系列重要的參考結(jié)論。

筆者針對(duì)某品牌輸出為4～20 mA電流信號(hào)的溫度變送器（24DC 供電），依據(jù) GBT17626.5－2008中的相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[7－8]對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行浪涌沖擊測(cè)試規(guī)定，確定變送器端口在不同耦合方式以及不同試驗(yàn)等級(jí)下的浪涌抗擾水平。

1 變送器端口浪涌抗擾度試驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)電路

為了模擬變送器在不同情況下的浪涌抗擾度水平，試驗(yàn)電路分為兩種，分別是未安裝耦合元件與安裝耦合元件的端口浪涌抗擾度試驗(yàn)（具體見圖1（a）、1（b））。

圖1 實(shí)驗(yàn)電路Fig.1 Experimental circuits

1.2 抗擾度試驗(yàn)波形與嚴(yán)酷等級(jí)

依據(jù)GBT17626.5—2008的相關(guān)規(guī)定，變送器端口進(jìn)行浪涌抗擾度試驗(yàn)須配備能產(chǎn)生1.2/50 μs組合波的發(fā)生器。1.2/50 μs開路電壓波與8/20 μs短路電流波的波形和相關(guān)參數(shù)見圖2和表1。

圖2 1.2/50 μs開路電壓波與8/20 μs短路電流波Fig.2 Combination waveform of 1.2/50 μs and 8/20 μs

表1 波形參數(shù)誤差Table 1 Parameters of waveform

測(cè)試品是一輸出為4～20 mA電流信號(hào)的溫度變送器（24DC供電），變送器末端接熱電偶，通過耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)按線對(duì)線的方式加入浪涌干擾信號(hào)。依據(jù)GBT3482—2008電子設(shè)備雷擊試驗(yàn)方法，嚴(yán)酷等級(jí)如表2所示。每次試驗(yàn)后，將變送器接入24VDC電路中，并串連入一個(gè)電流表。給熱電偶不斷加熱，觀察電流表的示數(shù)變化，從而判斷傳感器是否發(fā)生損壞。如不正常工作應(yīng)停止試驗(yàn)，從而確定雷擊損壞幅值。

表2 浪涌嚴(yán)酷等級(jí)Table 2 Severities for surge

2 二線制變送器端口用電涌保護(hù)器

安裝耦合元件的端口浪涌抗擾度試驗(yàn)采用SPD耦合。SPD涌保護(hù)器原理圖如圖3所示。以往單級(jí)防護(hù)產(chǎn)品由于防雷元件泄放了較大雷電流，因此殘壓也較高，并且由于泄放線路電感、電阻等原因仍會(huì)有較大感應(yīng)電流流向后方設(shè)備。而采用多級(jí)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)后第二級(jí)防雷元件只有很小的電流通過，因此殘壓非常低，并且由于電流值小，可以使用半導(dǎo)體元件以得到更低的殘壓和更快的響應(yīng)速度。

圖3 浪涌保護(hù)器原理圖Fig.3 Schematic diagram of surge protector

二線制變送器端口用電涌保護(hù)器內(nèi)部的兩級(jí)雷電防護(hù)電路由氣體放電管、退耦電阻、橋電路、以及TVS管組成。第一級(jí)使用大通流元件用于雷電能量的泄放，第二級(jí)使用低殘壓元件進(jìn)行精準(zhǔn)的鉗壓，并在第一級(jí)和第二級(jí)防雷元件之間加入退耦元件，從而在保證產(chǎn)品通流容量的前提下大幅度降低末級(jí)殘壓。其中氣體放電管直流放電電壓為90 V。浪涌保護(hù)器的氣體放電管主要是釋放浪涌能量，TVS管可以線間電壓箝位，橋電路用來減小TVS管分布電容，退耦電阻則能較好地實(shí)現(xiàn)能量配合[9]。

3 試驗(yàn)分析

3.1 未安裝電涌保護(hù)器

在變送器的信號(hào)線采用直接耦合的電路中，信號(hào)線間施加幅值為50 V的組合波時(shí)，示波器的波形如圖4所示。

圖4 未安裝SPD時(shí)Um=50 V時(shí)的波形Fig.4 Waveform of transmitter port without SPD

由圖4可以看出，變送器端口已經(jīng)損壞。變送器的抗浪涌干擾能力非常低，幅值為50 V的1.2/50 μs開路電壓波就能徹底損壞變送器。

3.2 安裝電涌保護(hù)器

在變送器的信號(hào)線采用SPD耦合的電路中，信號(hào)線間分別正向、反向施加幅值為0.5 kV、1 kV、1.5 kV、4 kV、6 kV、10 kV的組合波。當(dāng)電壓幅值為10 kV 時(shí)，正、反向測(cè)試波形如圖5（a）、5（b）。

圖5 安裝SPD時(shí)變送器端口波形Fig.5 Waveforms of transmitter port with SPD

安裝有浪涌保護(hù)器耦合的電路中，變送器的抗擾度大幅提升，10 kV的組合波沖擊下，變送器仍能正常工作。由此可以看出，為了防止浪涌對(duì)變送器造成損害，需要加裝浪涌保護(hù)器對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。

3.3 電涌保護(hù)器級(jí)間配合

退耦裝置可以防止與被保護(hù)設(shè)備安裝距離過近而導(dǎo)致的防護(hù)失效問題 （當(dāng)防雷器與被保護(hù)設(shè)備安裝距離過近時(shí)，由于防雷元件由高阻切換為低阻狀態(tài)需要一定的時(shí)間，此時(shí)被保護(hù)設(shè)備中的半導(dǎo)體元件有可能以更快的速度被雷電擊穿，此時(shí)便發(fā)生了防護(hù)失效），并可進(jìn)一步減小通過防雷器后流向被保護(hù)設(shè)備的雷電流。

選用多種不同阻值的退耦電阻以及兩種類型的TVS 管構(gòu)成電涌保護(hù)器，在 1.2/50 μs～8/20 μs組合波沖擊下，進(jìn)行線間浪涌測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3和表4。表4為型號(hào)是P6KE27CA的TVS管組成的浪涌保護(hù)器的前后級(jí)分流實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表3和表4可以看出，不同的被試品在組合波浪涌沖擊下，只有阻值大于2.1 Ω的退耦電阻構(gòu)成的試驗(yàn)樣品才能顯示浪涌殘壓值，且隨著電阻值的增大，試品的殘壓值也越來越大。由此可知，小于2.1 Ω的退耦電阻構(gòu)成的測(cè)試樣品在浪涌入侵之際，處在前級(jí)的氣體放電管未能及時(shí)動(dòng)作，因而全部浪涌能量向TVS管，致使其不堪耐受而損壞。

隨著退耦電阻值不斷的增加，施加在后端作為線間箝壓的TVS管上的殘壓也逐漸增大，說明在實(shí)際安裝應(yīng)用中，退耦電阻并不是越大越好，合適的退耦電阻值可以改善氣體放電管和TVS管之間的能量配合，避免作為線間箝壓限位的TVS管上承受較大的能量，當(dāng)退耦電阻超過最適值后，退耦電阻的增加會(huì)導(dǎo)致TVS管上的殘壓增大，不利于后續(xù)設(shè)備的影響。阻值等于或大于2.1 Ω的被試品能較好地實(shí)現(xiàn)前后級(jí)能量配合，即氣體放電管能及時(shí)響應(yīng)，從而只有少部分浪涌電流通過后級(jí)的TVS管。然而退耦電阻阻值增大的同時(shí)，TVS管的殘壓值也隨之增大，影響保護(hù)效果。因而多級(jí)保護(hù)的浪涌保護(hù)器的退耦電阻理想阻值為2.1 Ω。

表3 不同退耦電阻對(duì)殘壓影響Table 3 Residual voltages under different decoupling resistors

表4 不同退耦電阻對(duì)前后級(jí)通流量影響Table 4 Through flows under different decoupling resistors

4 結(jié)論

通過對(duì)4～20 mA電流信號(hào)的溫度變送器進(jìn)行在不同耦合方式以及不同試驗(yàn)等級(jí)下的浪涌抗擾度實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1）未安裝耦合元件的4～20 mA變送器在50 V的組合波浪涌沖擊下發(fā)生損壞。

2）變送器安裝電涌保護(hù)器后，浪涌抗擾能力大幅提高，承受10 kV的組合波沖擊后依舊可以正常工作。

3）選取2.1 Ω的退耦電阻構(gòu)成變送器類儀器的電涌保護(hù)器，殘壓小，保護(hù)效果好。

[1]劉芳.個(gè)人計(jì)算機(jī)電源端口浪涌抗擾度試驗(yàn)[J].電測(cè)與儀表，2009（S2）：134－137.LIU Fang.Surge Immunity Test of Personal Computer at Power lines[J].Electrical Measurement&Instrumentation，2009 （S2）：134－137.

[2]彭發(fā)東，成永紅，孟永鵬，等.高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)設(shè)備浪涌抗擾度試驗(yàn)[J].高電壓技術(shù)，2007，33（8）:143－145.PENG Fadong，CHENG Yonghong，MENG Yongpeng，et al.Experimental study on surge immunity of on line monitoring device of high voltage circuit breaker[J].High Voltage Engineering，2007，33（8）:143－145.

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[4]李博，李洋，王俊飛.通信設(shè)備用浪涌保護(hù)器中放電管與TVS管最佳組合的探討 [J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2012，40（12）：47－48.LI Bo，LI Yang，WANG Junfei.Discussion on the optimum combination of discharge tube and TVS tube in SPD of communication equipment[J].Railway Quality Control，2012，40（12）:47－48.

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[7]GBT3482－2008，電子設(shè)備雷擊試驗(yàn)方法[S].2008.

[8]GBT17626.5－2008，電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)[S].2008.

[9]郭遠(yuǎn)東.浪涌（沖擊）電壓波形與浪涌抑制元件[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2011，29（2）：16－19.GUO Yuandong.Surge voltage waveform and surge suppression components[J].Electronic Product Reliability and Environmental Testing，2011，29（1）:16－19.

Analysis on the Immunity of Two-Wire Transmitter Port and Suppression Countermeasure

LU Huihui1， SHEN Huan2， SHI Xuan2， YUAN Shining2， YANG Zhongjiang1
（1.The School of Atmospheric Physics， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China；2.CNOOC Ener Tech-Safety&Environmental Protection Co.， Tianjin 300456， China）

To avoid the two-wire transmitter suffered by lightning surge damage，the surge immunity test is carried out on its port.The test circuit is divided into direct coupling and coupling impedance，and the transmitter immunity level observed at different combinations of wave surge rating shocks.Experimental results show that anti-surge capability of the transmitter is in a low level under direct coupling，the transmitter is damaged when amplitude of the combination is 50 V.While in the condition of the impedance coupling， the immunity of transmitter is greatly improved， and the transmitter is not damaged even the amplitude of the combination wave is up to 10 kV.The results also show that the decoupling resistor will affect the residual voltage and the most appropriate value of the decoupling resistor is 2.1 Ω.

transmitter； immunity； lightning surge； surge protection

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.004

2015-11-27

盧慧慧 （1992—），女，碩士，研究方向?yàn)殡姶偶嫒荨?/p>

中海油能源發(fā)展股份有限公司資助科研項(xiàng)目 （編號(hào)：HFKJ-RL1401）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （編號(hào)：41175003）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目 （PADA）。