熱電偶信號(hào)線路雷電感應(yīng)過(guò)電壓的抑制研究

孫水英

(上海今電實(shí)業(yè)有限公司，上海 200540)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)乙烯產(chǎn)能不斷攀升，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力也越來(lái)越大。對(duì)于現(xiàn)有乙烯企業(yè)來(lái)說(shuō)，如何做到乙烯裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行，是乙烯生產(chǎn)企業(yè)須深入探討的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題[1]。乙烯制冷壓縮機(jī)作為乙烯工業(yè)最核心的壓縮機(jī)組之一，進(jìn)口溫度通常達(dá)到-101 ℃左右，如此低的溫度條件對(duì)壓縮機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，因此乙烯制冷壓縮機(jī)機(jī)組溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制就非常重要。熱電偶溫度傳感器基于材料的電阻-溫度變化特性原理，具有高靈敏度、強(qiáng)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，目前廣泛應(yīng)用于制冷壓縮機(jī)機(jī)組的溫度監(jiān)測(cè)[2]。但熱電偶溫度傳感器也有致命缺陷，就是絕緣耐壓水平低、抗浪涌能力差，在雷暴天氣很容易出現(xiàn)信號(hào)中斷?，F(xiàn)場(chǎng)的熱電偶溫度傳感器都直接安裝在乙烯制冷壓縮機(jī)機(jī)組的表面，而且與之連接的通訊線纜又直接暴露在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，很容易遭受雷擊，據(jù)統(tǒng)計(jì)雷電產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓是造成熱電偶通訊線路故障的主要原因之一。隨著人們對(duì)雷電發(fā)生機(jī)制和信號(hào)浪涌保護(hù)器(SPD)結(jié)構(gòu)的深入了解，對(duì)氣體放電管(GDT)、箝位二極管(TVS)、壓敏電阻(MOV)等防雷元器件的浪涌抑制參數(shù)都已有了較為深入的研究。朱若虛等[3]主要對(duì)GDT、TVS、MOV等防雷元器件進(jìn)行了一系列的雷電流沖擊試驗(yàn)、平衡和非平衡信號(hào)SPD靜態(tài)傳輸特性試驗(yàn)，并分析了它們的雷電參數(shù)特性。陳良英等[4]主要根據(jù)信號(hào)SPD的設(shè)計(jì)原理及平衡信號(hào)與非平衡信號(hào)傳輸特性參數(shù)的特點(diǎn)，選用不同啟動(dòng)電壓的GDT、不同阻值的退耦電阻和不同直流擊穿電壓的TVS進(jìn)行8/20 μs電流波沖擊試驗(yàn)，分析殘壓和通流分別隨退耦元件阻值、箝位元件直流擊穿電壓及沖擊電壓的變化規(guī)律。李祥超等[5]主要對(duì)信號(hào)SPD的不同退耦電阻和不同分布電容進(jìn)行測(cè)試，分析信號(hào)SPD不同退耦電阻和不同分布電容對(duì)通訊性能的影響。以上研究均未指出感應(yīng)過(guò)電壓和雷擊電流同時(shí)對(duì)信號(hào)SPD尖峰殘壓產(chǎn)生的影響，而熱電偶通訊線路故障均由信號(hào)線路感應(yīng)過(guò)電壓以及其在信號(hào)線中產(chǎn)生浪涌造成，因此需要對(duì)感應(yīng)過(guò)電壓和雷擊電流同時(shí)對(duì)信號(hào)SPD尖峰殘壓的影響進(jìn)行深入探究。

文章主要利用1.2/50 μs、8/20 μs組合波雷擊發(fā)生器對(duì)具有不同阻值退耦元件的信號(hào)SPD樣品進(jìn)行雷電沖擊和插入損耗測(cè)試，分析信號(hào)SPD設(shè)備保護(hù)側(cè)的尖峰殘壓和插入損耗等參數(shù)特性，了解由浪涌入侵信號(hào)線路造成熱電偶信號(hào)故障的發(fā)生機(jī)制，探究在熱電偶通訊線路中安裝什么阻值范圍的退耦元件的信號(hào)SPD，可以使熱電偶信號(hào)線路雷電感應(yīng)過(guò)電壓的抑制效果更加有效[6-7]。

1 信號(hào)線路雷電感應(yīng)過(guò)電壓的抑制

1.1 平衡信號(hào)SPD的電路結(jié)構(gòu)分析

第一級(jí)保護(hù)結(jié)構(gòu)由一個(gè)GDT組成，主要作用是讓線間感應(yīng)雷電流可以對(duì)地快速釋放；第二級(jí)保護(hù)結(jié)構(gòu)是由TVS組成的線間箝位電路，主要作用是為了快速抑制GDT產(chǎn)生的線間殘壓；兩級(jí)保護(hù)電路中間的電阻為退耦元件[8]。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 平衡信號(hào)SPD的電路結(jié)構(gòu)

當(dāng)信號(hào)SPD動(dòng)作后，首先利用第一級(jí)的氣體放電管對(duì)雷電瞬態(tài)過(guò)電壓能量進(jìn)行泄放，之后利用第二級(jí)TVS進(jìn)行電壓箝位，將電壓箝位在較低水平，以保護(hù)電子設(shè)備的信號(hào)端不遭到損壞。兩級(jí)中間的退耦電阻用來(lái)實(shí)現(xiàn)第一、二級(jí)的保護(hù)電路間的能量配合，如式(1)所示[8]。

UG=UT+2×R×IR

(1)

式中：UG為GDT的啟動(dòng)電壓，UT為TVS的箝位電壓，R為退耦電阻的阻值，IR為流過(guò)TVS和退耦電阻的雷擊電流。

由于TVS的雷電響應(yīng)時(shí)間為ps級(jí)，GDT的響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)，當(dāng)線路雷電感應(yīng)過(guò)電壓從信號(hào)SPD進(jìn)入未保護(hù)側(cè)時(shí)，TVS將快速啟動(dòng)，在TVS兩側(cè)形成箝位電壓，雷擊電流開始逐漸變大，經(jīng)過(guò)退耦電阻，使GDT兩端電壓迅速達(dá)到UG，對(duì)地快速釋放大電流，同時(shí)信號(hào)SPD保護(hù)側(cè)會(huì)在幾μs范圍內(nèi)形成尖峰振蕩殘壓，然后殘壓進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段，如圖2所示。

圖2 平衡信號(hào)SPD在1.2/50 μs、8/20 μs組合波下的殘壓曲線

1.2 試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)分析

采用1.2/50 μs、8/20 μs組合波發(fā)生器模擬雷電流對(duì)信號(hào)SPD進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，為了保證只觀察信號(hào)SPD退耦電阻對(duì)測(cè)試樣品一次尖峰殘壓、二次尖峰殘壓、觸發(fā)穩(wěn)態(tài)時(shí)間等雷電抑制效果參數(shù)的影響，將約束除了退耦元件以外其他防雷元件的性能參數(shù)。依據(jù)熱電偶信號(hào)線路5～6 V工作電壓的實(shí)況，為線路浪涌抑制選取氣體放電管的直流擊穿電壓為90 V，TVS的直流擊穿電壓為8.0 V的信號(hào)SPD。

分別選取退耦電阻為1 Ω、4.7 Ω和9.4 Ω的信號(hào)SPD，通過(guò)組合波發(fā)生器施加不同的沖擊電壓和沖擊電流，測(cè)量沖擊之后熱電偶信號(hào)線上殘壓等參數(shù)。對(duì)不同退耦元件的信號(hào)SPD測(cè)試樣品未保護(hù)側(cè)線間A與B分別施加2 kV/1 kA、4 kV/2 kA、6 kV/3 kA、8 kV/4 kA、10 kV/5 kA的沖擊電壓和沖擊電流(差模測(cè)試)，利用示波器測(cè)量不同退耦元件測(cè)試樣品保護(hù)側(cè)線間a與b的一次尖峰殘壓、二次尖峰殘壓、TVS箝位電壓、觸發(fā)穩(wěn)態(tài)時(shí)間等電氣參數(shù)，示例波形如圖3～4所示，數(shù)據(jù)如表1所示。

圖3 1 Ω退耦電阻信號(hào)SPD在2 kV/1 kA組合波沖擊下的尖峰殘壓曲線

圖4 1 Ω退耦電阻信號(hào)SPD在10 kV/5 kA組合波沖擊下的尖峰殘壓曲線

表1 不同退耦電阻信號(hào)SPD在1.2/50、8/20 μs組合波沖擊下的尖峰殘壓參數(shù)

由表1可知：(1)在1.2/50 μs、8/20 μs組合波沖擊下，信號(hào)SPD殘壓會(huì)在觸發(fā)之后開始產(chǎn)生劇烈振蕩，然后在幾μs之后才逐漸出現(xiàn)殘壓穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象；(2)在退耦電阻阻值一定的情況下，隨著沖擊電壓和沖擊電流的逐漸增大，信號(hào)SPD的一次尖峰殘壓也在逐漸增大，當(dāng)沖擊電壓和沖擊電流達(dá)到10 kV/5 kA時(shí)，一次尖峰殘壓已經(jīng)達(dá)到80～100 V，如果線路感應(yīng)電壓繼續(xù)增大，一次尖峰殘壓可能比穩(wěn)態(tài)殘壓大幾倍甚至十幾倍，雖然振蕩周期很短暫，但對(duì)熱電偶溫度傳感器信號(hào)傳輸?shù)奈：薮螅?3)在GDT和TVS直流擊穿電壓不變的情況下，隨著退耦電阻阻值的逐漸增大，相同測(cè)試電壓、電流下，信號(hào)SPD的一次尖峰殘壓會(huì)略有降低，而觸發(fā)穩(wěn)態(tài)時(shí)間降低比較明顯，說(shuō)明信號(hào)SPD退耦電阻阻值的增大可以大幅縮短尖峰殘壓的振蕩時(shí)間，減少熱電偶溫度傳感器因尖峰殘壓振蕩損壞的概率。

1.3 小結(jié)

從信號(hào)SPD殘壓數(shù)據(jù)可知：信號(hào)線路遭受雷電入侵時(shí)，雖然經(jīng)過(guò)信號(hào)SPD抑制之后穩(wěn)態(tài)殘壓很低，但對(duì)熱電偶溫度傳感器產(chǎn)生信號(hào)故障的主要危害因素還是尖峰殘壓，且振蕩劇烈，因此熱電偶溫度傳感器設(shè)備的耐沖擊電壓額定值最低要選在100 V以上。從不同退耦電阻的信號(hào)SPD沖擊測(cè)試結(jié)果來(lái)看，同樣的沖擊電壓和沖擊電流下，隨著退耦電阻阻值的增大，一次尖峰殘壓會(huì)略有降低，但從雷電流感應(yīng)觸發(fā)到TVS穩(wěn)態(tài)的時(shí)間減少比較明顯。綜上所述，在1～10 Ω范圍內(nèi)，退耦電阻阻值越大，殘壓尖峰振蕩時(shí)間越少，對(duì)TVS和GDT啟動(dòng)的能量配合效果越好，同時(shí)還要合理選擇熱電偶溫度傳感器設(shè)備的耐沖擊電壓額定值，這樣才能延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

2 平衡信號(hào)SPD對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/h2>

2.1 平衡信號(hào)傳輸理論分析

平衡信號(hào)SPD對(duì)熱電偶溫度傳感器信號(hào)線路的雷電感應(yīng)過(guò)電壓和過(guò)電流的抑制效果非常明顯，可以把信號(hào)線路上感應(yīng)10 kV以上的電壓抑制到100 V左右的水平，但由于平衡信號(hào)SPD串聯(lián)接入熱電偶溫度傳感器信號(hào)線路中，會(huì)對(duì)信號(hào)線路中的信號(hào)傳輸造成較大衰減[9-10]，所以應(yīng)在保證平衡信號(hào)SPD保護(hù)效果的前提下，盡量減小因加入退耦電阻而對(duì)信號(hào)線路正常通信造成的影響。

當(dāng)沒(méi)有雷電波作用時(shí)，可以將平衡信號(hào)SPD結(jié)構(gòu)原理圖等效為圖5所示的電路。

圖5 平衡信號(hào)SPD網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)等效電路

從圖5可知：影響線路信號(hào)傳輸性能的主要有3種重要參數(shù)，即分布電容值C1、分布電容值C2以及一級(jí)和二級(jí)保護(hù)電路之間的退耦電阻R1和R2的阻值，在平衡網(wǎng)絡(luò)中R1和R2阻值相等。插入損耗(IL)是衡量信號(hào)SPD對(duì)信號(hào)線路通訊性能影響程度的重要指標(biāo)，是指在通訊系統(tǒng)的某處由于元件或器件的接入而發(fā)生的負(fù)載功率的損耗，它表示為該元件或器件接入前負(fù)載上所接收到的功率與接入后同一負(fù)載上所接收到的功率以dB為單位的比值[11-12]。其定義為：

(2)

式中：P1為輸入到輸出端口的功率，mW；P2為從輸出端口接收到的功率，mW。

將式(2)的功率之比轉(zhuǎn)換為電壓之比，其定義為：

(3)

式中：U1為輸入端口的電壓，V；U2為輸出端口的電壓，V。

2.2 試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)分析

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)雷電沖擊過(guò)的信號(hào)SPD測(cè)試樣品進(jìn)行插入損耗測(cè)試，為了研究不同退耦電阻阻值對(duì)信號(hào)SPD插入損耗性能的影響，將先測(cè)量直流擊穿電壓為90 V的放電管分布電容C1，電容值為20 pF；直流擊穿電壓為8 V的TVS分布電容C2，電容值為90 pF。然后將退耦電阻阻值分別為1 Ω、4.7 Ω、9.4 Ω的3個(gè)樣品進(jìn)行10 kHz～100 MHz范圍內(nèi)的插入損耗測(cè)試，讀取最小值，結(jié)果如表2所示，示例波形如圖6～7所示。

表2 不同退耦電阻信號(hào)SPD幅頻特性參數(shù) dB

圖6 1 Ω退耦電阻信號(hào)SPD幅頻特性曲線

圖7 9.4 Ω退耦電阻信號(hào)SPD幅頻特性曲線

2.3 小結(jié)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：平衡信號(hào)SPD的分布電容值一定時(shí)，隨著退耦電阻阻值的增加，在10 kHz～100 MHz范圍內(nèi)，信號(hào)線路上的插入損耗逐漸增大。其中10 kHz～70 MHz范圍內(nèi)3個(gè)不同退耦電阻的信號(hào)SPD插入損耗相差很大，退耦電阻1 Ω的信號(hào)SPD傳輸性能最好，9.4 Ω的信號(hào)SPD傳輸性能最差；從全頻段來(lái)看，1 Ω和4.7 Ω的信號(hào)SPD在最低值區(qū)域相差不大，而9.4 Ω的信號(hào)SPD插入損耗超過(guò)了-2.0 dB，影響了熱電偶溫度傳感器信號(hào)的傳輸。

3 結(jié)語(yǔ)

壓縮機(jī)熱電偶溫度傳感器信號(hào)傳輸線系統(tǒng)對(duì)耦合雷電電磁波的頻率具有一定的選擇性，從已知頻譜上看，雷電電磁波主要能量集中在較低頻域。文章通過(guò)深入探究熱電偶溫度傳感器信號(hào)SPD在1.2/50 μs、8/20 μs組合波2～10 kV/1～5 kA下的雷電感應(yīng)過(guò)電壓抑制效果，并根據(jù)不同退耦電阻信號(hào)SPD的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性，分析SPD設(shè)備保護(hù)側(cè)的差模殘壓和插入損耗。研究結(jié)果表明，在退耦電阻1～10 Ω范圍內(nèi)，隨著阻值的增加，殘壓尖峰振蕩時(shí)間就會(huì)減少，熱電偶溫度傳感

器的殘壓尖峰也會(huì)降低，保護(hù)效果更好；但插入損耗會(huì)逐漸增大，影響傳輸特性。綜合考慮雷電過(guò)電壓抑制效果和傳輸特性，熱電偶溫度傳感器的信號(hào)SPD退耦電阻推薦取值范圍為1～5 Ω，可以為壓縮機(jī)溫度控制和檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行提供較高雷電防護(hù)水平[13]。