數(shù)據(jù)采集器的浪涌抗擾度試驗研究

李明月 鄧計才

【摘 要】數(shù)據(jù)采集器廣泛地應用于工業(yè)環(huán)境中，運行環(huán)境比較復雜，現(xiàn)場一些地方出現(xiàn)傳感器損壞的情況。針對此現(xiàn)象，論文進行了試驗驗證、原因分析與整改，并進行了分析和總結。

【Abstract】 The data collector is widely used in the industrial environment. The operating environment is very complex， and the damage of the sensor occurred in some places. According to this phenomenon， this article has carried out the test verification， reason analysis， rectification， and has carried on the analysis and summary.

【關鍵詞】數(shù)據(jù)采集器；浪涌抗擾度；測試方法；結果分析；抑制元件

【Keywords】data collector； surge immunity； test method； result analysis； suppressor element

【中圖分類號】TM93 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）03-0135-02

1 引言

數(shù)據(jù)采集器廣泛地應用于電力、化工、煤炭、冶金等行業(yè)大型設備振動、溫度等數(shù)據(jù)的采集，其工作環(huán)境較為復雜，現(xiàn)場一些地方出現(xiàn)傳感器損壞的情況。經(jīng)分析，其損壞路徑如下：220V電網(wǎng)波動造成采集器電源24V輸出波動，進而可能造成傳感器的損壞?，F(xiàn)場的實際安裝情況為：采集器放置的位置都在控制室內(nèi)，周圍為鋼結構，甚至旁邊就有避雷針，我們所有設備包括傳感器的安裝位置都不算高，不存在被雷直接擊中的可能性，但如果是感應雷（間接雷擊）還是有可能的。

部分地區(qū)雷擊的發(fā)生較為頻繁，它可以通過大地感應耦合到供電網(wǎng)絡中，從而產(chǎn)生較大的能量脈沖，給在此網(wǎng)絡里工作的電子產(chǎn)品、設備或系統(tǒng)造成影響甚至是不可修復的損壞。另外，供電回路中一些開關的閉合也會產(chǎn)生較高能量的脈沖，會嚴重影響電子產(chǎn)品或系統(tǒng)的可靠性。因此，浪涌（沖擊）抗擾度試驗就逐步出現(xiàn)在了許多的國際和國內(nèi)標準中。浪涌（沖擊）抗擾度試驗的主要任務是找出電子設備在規(guī)定的工作狀態(tài)下，對由開關或雷電作用所產(chǎn)生的有一定危害電平的反應，主要目的是為評定電氣和電子設備在遭受浪涌（沖擊）時的性能提供一個評判依據(jù)。

本文主要針對現(xiàn)場出現(xiàn)的問題，參照GB/T17626.5-2008《電磁兼容 試驗和測量技術 浪涌（沖擊）抗擾度試驗》規(guī)定的方法來進行測試、驗證和分析。

2 浪涌抗擾度試驗

2.1 試驗計劃（參數(shù)）

①試驗波形：對于鏈接到對稱通信線的端口，應使用10/700μS的組合波信號發(fā)生器。對于其他情況，特別是連接到電源線和短距離信號互連接的端口，應使用1.2/50μS的組合波信號發(fā)生器，這里我們對電源端口選擇1.2/50μS的試驗波形，對信號口選擇10/700μS的試驗波形。②試驗等級：鑒于采集器主要應用于工業(yè)環(huán)境中，目前無相應的產(chǎn)品標準。但其實際運行環(huán)境與電力產(chǎn)品相同，參考國網(wǎng)標準，選擇通過級別。這里我們選擇電源端口：共?！?kV，差?！?kV；信號端口：±1kV。首次試驗時，由于不了解產(chǎn)品實際情況，需從較低試驗等級開始進行測試，這里我們從±0.5kV開始進行，逐級遞增。③浪涌發(fā)生次數(shù)：除非相關的產(chǎn)品標準有規(guī)定，施加在直流電源端和互聯(lián)線上的浪涌脈沖次數(shù)為正、負極性各5次，對交流電源端口，應分別對0°、90°、180°、270°四個相位施加正、負極性各5次的浪涌脈沖。[1]④連續(xù)脈沖間隔：60s或者更短。這里選擇60s，目的是為給內(nèi)部元件提供充足的散熱時間。⑤試驗結果的評價：推薦的分類有四類，這里我們選擇b類：試驗中功能或性能可暫時喪失或降低，但在騷擾停止后能自行恢復，不需要操作者進行干預。

2.2 試驗步驟

①檢查試驗環(huán)境是否滿足國標要求，不滿足的話需要進行加濕/除濕等操作直至滿足條件，記錄試驗的環(huán)境條件（溫度、濕度、氣壓等），以提高試驗的復現(xiàn)性。②對EUT進行初始檢測并記錄，功能正常后按標準的試驗布置連接好EUT。③打開試驗設備，設置好試驗條件后（從±0.5kV開始進行，逐級遞增），開始試驗。④試驗過程中注意觀察并記錄受試樣品的狀態(tài)；試驗后，在不進行人為干預的情況下檢查產(chǎn)品功能是否正常。

2.3 試驗結果與分析

①電源口：共?！?.5kV，±1kV，±2kV，±4kV試驗后功能正常，均滿足B級要求；差模±0.5kV，±1kV，±2kV試驗試驗后功能正常，滿足B級的要求。②信號端（信號通道）：±0.5kV試驗后功能正常，滿足B級要求；±1kV試驗后采集器不采數(shù)，不滿足要求。經(jīng)分析為傳感器損壞，與現(xiàn)場情況較為相似。③信號端（網(wǎng)口）：±2kV，試驗后網(wǎng)絡不通，不滿足要求。經(jīng)分析為網(wǎng)口芯片損壞，在現(xiàn)場環(huán)境較惡劣時存在因網(wǎng)口芯片損害而致網(wǎng)絡不通的隱患。

3 常用的抑制浪涌的器件介紹

壓敏電阻主要是由氧化鋅壓敏電阻片構成，每個壓敏電阻都有一定的開關電壓即壓敏電壓，當施加在壓敏電阻兩端的電壓低于該數(shù)值時，呈現(xiàn)高阻態(tài)，即阻值無窮大，內(nèi)部幾乎無電流流過。當施加在壓敏電阻兩端的電壓高于該數(shù)值時，會迅速被擊穿導通，由高阻態(tài)瞬間變?yōu)榈妥钁B(tài)。壓敏電阻的優(yōu)點是啟動電壓范圍寬，反應快，通流容量大，無續(xù)流，壽命長。缺點為存在老化和性能不夠穩(wěn)定的問題，壓敏電阻器的電容較大，影響其在高頻、超高頻領域的應用。

氣體放電管是一種間隙式的防雷保護器件，采用陶瓷或玻璃作為管子的封裝外殼，放電管內(nèi)部充以性能穩(wěn)定的惰性氣體。當外加電壓達到使極間場強超過氣體的絕緣強度時，兩級間的間隙將放電擊穿，并由絕緣狀態(tài)變?yōu)閷щ姞顟B(tài)。氣體放電管的放電時延較大，響應較慢，一般為μS級，對于波頭上升陡度較大的雷電波難以有效抑制[2]。

TVS管也就是瞬態(tài)電壓抑制器，是一種二極管形式的高效能保護元件。當 TVS管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以極快的速度，瞬間將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值。TVS管具有動作響應快、箝位電壓低等顯著優(yōu)點，適合用于多級防護電路的最末幾級防護。

通常，采用單個元件一般無法滿足要求電子產(chǎn)品的防雷保護，需要將幾種保護器件組合起來，構成多級防護才可滿足要求。一個完整的浪涌防護方案，需要采用三級防護：一般將氣體放電管用作第一級，壓敏電阻放做第一或第二級，而TVS管（暫態(tài)抑制二極管）用做第二或第三級防護。通過各級防護器件的配合，將幅值較高的雷電暫態(tài)過電壓限制到產(chǎn)品可耐受的范圍內(nèi)，從而達到對電子產(chǎn)品的可靠保護。

4 整改措施與驗證

為加強數(shù)據(jù)采集器的防浪涌能力，經(jīng)過對抑制浪涌的器件的研究，對數(shù)據(jù)采集器做出了如下的整改措施：①主板電源入口：增加600W的TVS管和防倒插二極管。②信號通道入口：增加400W的TVS管，在振動信號采集通道中增加自恢復保險絲，在溫度信號采集通道中增加限流值為20mA的限流二極管。③網(wǎng)絡（以太網(wǎng)）端口：鑒于目前產(chǎn)品已經(jīng)定型，內(nèi)部已無法增加防護，只能通過在外部增加浪涌防護器進行防護。

經(jīng)過以上整改后，再次進行了雷擊浪涌抗擾度測的試。電源口、信號口均順利通過測試；網(wǎng)口加上浪涌防護器后也順利通過測試。此更改已應用于現(xiàn)場一段時間，運行良好，未再次出現(xiàn)類似的情況。

5 結語

經(jīng)過一系列的整改，數(shù)據(jù)采集器的質(zhì)量得到大幅提升，極大地緩解了現(xiàn)場問題，但是對于網(wǎng)口的問題因為產(chǎn)品已經(jīng)定型，無法從根本上解決，只能通過在外部添加浪涌防護器來解決。這也警醒我們一定要將EMC的設計融入電子產(chǎn)品的設計過程中，同時也希望可以對電子產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)部和質(zhì)量管理部有一定的指導意義。

【參考文獻】

【1】GB/T 17626.5-2008.電磁兼容 試驗和測量技術 浪涌（沖擊）抗擾度試驗[S].

【2】郭遠東. 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，2011，29（2）：16-19.