機(jī)井采集環(huán)境中無(wú)線終端設(shè)備的電磁兼容問(wèn)題研究

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信；電磁兼容；感應(yīng)雷；浪涌保護(hù)

中圖分類號(hào)：TN87；TN929.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

在機(jī)井采集環(huán)境中使用無(wú)線終端設(shè)備時(shí)，面臨3 種常見(jiàn)的瞬態(tài)干擾，包括靜電放電、電快速瞬變脈沖群和雷電浪涌。這些電磁現(xiàn)象引起的瞬變電壓會(huì)造成信號(hào)接口和主控芯片等設(shè)備的損壞，如感應(yīng)雷會(huì)導(dǎo)致電路中產(chǎn)生浪涌電壓，其峰值電壓可達(dá)1 kV 甚至更高。王倩[1] 提出使用場(chǎng)路協(xié)同仿真方法來(lái)對(duì)電子設(shè)備信號(hào)傳輸過(guò)程中受電磁干擾問(wèn)題進(jìn)行研究，通過(guò)添加金屬屏蔽層，有效降低了靜電放電對(duì)信號(hào)波形的干擾。此外，從電磁干擾耦合路徑的角度，在信號(hào)總線外增加接地屏蔽層，切斷電磁干擾進(jìn)入敏感設(shè)備的途徑，也是合理有效的解決方案[2]。

為確保設(shè)備的正常工作，在信號(hào)接口前添加保護(hù)電路，當(dāng)浪涌現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，將浪涌脈沖能量傳導(dǎo)至地面[3]，浪涌結(jié)束后電路恢復(fù)正常工作，不影響信號(hào)的正常傳輸。

1 浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)與仿真

干擾源分為兩大類：自然干擾源和人為干擾源。自然干擾源主要來(lái)源于大氣層的天電噪聲和地球外的宇宙噪聲；人為干擾源是由機(jī)電或其他人工裝置產(chǎn)生的電磁能量干擾[4]。當(dāng)機(jī)井附近發(fā)生雷擊時(shí)，產(chǎn)生變化強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)[4]，使電纜和導(dǎo)線上產(chǎn)生電涌。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，電纜和導(dǎo)線上產(chǎn)生的電涌計(jì)算公式：

這些瞬變電涌通過(guò)不同的端口進(jìn)入設(shè)備并且損壞設(shè)備，根據(jù)構(gòu)成干擾的三要素可知[5]，在耦合路徑上將瞬變電涌引導(dǎo)至其他地方可以減少干擾。例如，通過(guò)接地將導(dǎo)線上多余的浪涌傳導(dǎo)至地面。在設(shè)計(jì)保護(hù)電路時(shí)需要注意以下3點(diǎn)：①保護(hù)電路不得干擾系統(tǒng)正常運(yùn)行；②瞬變電涌被消除后，系統(tǒng)需要自動(dòng)恢復(fù)正常工作，減少對(duì)系統(tǒng)性能的影響；③需要可靠的保護(hù)電路，以應(yīng)對(duì)實(shí)際情況中發(fā)生的瞬態(tài)干擾。圖1 為π 型浪涌保護(hù)電路，在面對(duì)高電壓、大電流的浪涌時(shí)，該電路可以將其產(chǎn)生的瞬變能量從系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移出去。保護(hù)電路分為兩級(jí)過(guò)壓保護(hù)器和一級(jí)電流保護(hù)器，三級(jí)電路相互協(xié)同應(yīng)對(duì)瞬變。二級(jí)電路觸發(fā)電壓值低、功率低，可以在浪涌脈沖上升的初始階段將電壓鉗制到較低水平，當(dāng)電壓繼續(xù)上升時(shí)，過(guò)流保護(hù)器斷開且一級(jí)電路導(dǎo)通，其觸發(fā)電壓值高、功率高，這種方式可以提升整體的電壓防護(hù)等級(jí)。π 型浪涌保護(hù)電路不僅能夠保護(hù)系統(tǒng)不受電磁干擾的影響，同時(shí)還能增加浪涌保護(hù)器件的使用壽命。

常用的浪涌抑制器有瞬態(tài)電壓抑制二極管（transient voltage suppressor，TVS）、氣體放電管（gas discharge tube，GDT）、金屬氧化物壓敏電阻器（metal oxide varistor，MOV）、瞬態(tài)閉鎖單元（transient blocking unit，TBU） 和高分子聚合物正溫度系數(shù)元件（polymeric positive temperaturecoefficient，PPTC）等。這些浪涌抑制器功能相似，但性能差異較大，這決定了它們不同的應(yīng)用方式，浪涌抑制器件性能對(duì)比如表1 所示[6]。

在電路仿真軟件LTspice 中設(shè)計(jì)一個(gè)1.2/50 μs 的雷電浪涌組合波發(fā)生器，如圖2 所示。根據(jù)GB/T17626.5—2019 標(biāo)準(zhǔn)[7] 中對(duì)1.2/50 μs 浪涌波形的定義可知，開路電壓波前時(shí)間為1.2×（1±30%） μs，持續(xù)時(shí)間為50×（1±20%） μs，仿真的組合波符合上述定義。本文使用等效電阻（100 Ω）代替負(fù)載以便于分析，對(duì)于非屏蔽平衡線，一般使用串聯(lián)電阻和電容作為耦合網(wǎng)絡(luò)，浪涌沖擊通過(guò)耦合網(wǎng)絡(luò)連接在等效負(fù)載上。圖2b 中的曲線1 表示組合波發(fā)生器的雷電浪涌電壓波形，曲線2 表示組合波通過(guò)耦合網(wǎng)絡(luò)加載在負(fù)載上的雷電浪涌波形。

如圖3a 所示，保護(hù)電路使用MOV+TBU+TVS形成兩級(jí)過(guò)壓保護(hù)器+ 一級(jí)過(guò)流保護(hù)器的結(jié)構(gòu)，雖然MOV 與TVS 都是電壓抑制器，但MOV 最高可承受能量為150 J，能夠應(yīng)對(duì)1.2/50 μs 的浪涌脈沖。相較于TVS，MOV 的觸發(fā)電壓較高，電壓值為18 ～1 800 V，因此在電壓上升的初期，仍然需要TVS進(jìn)行抑制。如圖3b 所示，曲線V1 表示浪涌電壓值，曲線IR5 表示MOV 電流值，曲線VR4 表示負(fù)載電壓值。根據(jù)仿真結(jié)果可知，當(dāng)浪涌施加于保護(hù)電路時(shí)，TVS 能夠在極短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，并將電壓鉗制到較低水平，通過(guò)低阻抗的接地路徑來(lái)保護(hù)電路。而當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，TBU 斷開，通過(guò)MOV 將大部分瞬變能量從系統(tǒng)和其他保護(hù)器件轉(zhuǎn)移到地。MOV 的放電電流和保護(hù)電路均隨著MOV 封裝尺寸的增大而增大，相同體積下，GDT 的過(guò)電流能力是MOV 的4 ～ 5 倍，最大電流可以達(dá)到10 kA，因此在保證體積不變的情況下可以使用GDT 來(lái)應(yīng)對(duì)更高等級(jí)浪涌的沖擊。

如圖4 所示，將MOV 換成GDT 來(lái)應(yīng)對(duì)更高等級(jí)的浪涌，觸發(fā)電壓范圍為75 ～ 3 600 V，圖4b中曲線V1 表示浪涌電壓值，曲線IR4 表示負(fù)載電流值，曲線IR6 表示GDT 電流值。當(dāng)電壓增大到GDT 的火花放電電壓時(shí)，放電管中的氣體由于產(chǎn)生的電荷開始電離，GDT 從高阻態(tài)模式切換到電弧模式，提供瞬態(tài)開路電流接地路徑，將瞬態(tài)電流從受保護(hù)器件上轉(zhuǎn)移開，從而對(duì)后級(jí)電路和負(fù)載起到有效的保護(hù)作用。

仿真結(jié)果顯示，過(guò)流保護(hù)器TBU 相當(dāng)于開關(guān)，在浪涌電壓上升過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)從低功率的TVS切換到高功率的MOV 和GDT，這既可以有效保護(hù)敏感設(shè)備，又提高了浪涌保護(hù)器件使用壽命。

2 浪涌保護(hù)電路功能性測(cè)試

為了進(jìn)行功能性測(cè)試，將負(fù)載設(shè)置為光耦，使用艾德克斯電子（南京）有限公司（ITECH）的ITM7722 可編程電源輸出一個(gè)220 V 的脈沖信號(hào)，測(cè)試該電路在施加了220 V 脈沖信號(hào)后光耦是否可以正常工作。IT-M7722 可編程電源的時(shí)間精度最小為1 ms，MOV+TBU+TVS 保護(hù)電路波形圖和GDT+TBU+TVS 保護(hù)電路波形圖分別如圖5 和圖6所示。

圖5 中CH1 表示脈沖電壓值，CH2表示被保護(hù)側(cè)R4 的電壓值，CH3表示與MOV串聯(lián)的R6的電壓值。根據(jù)圖5 可知，在電壓上升初期先由TVS+TBU進(jìn)行防護(hù)；當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，TBU 截止然后由MOV 進(jìn)行導(dǎo)通，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果一致，并且光耦正常未損壞，MOV+TBU+TVS保護(hù)電路通過(guò)了功能性測(cè)試。

圖6中CH1表示脈沖電壓值，CH2表示與GDT串聯(lián)的R6 的電壓值，CH3表示被保護(hù)側(cè)R4的電壓值。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果一致，并且光耦正常未損壞，GDT+TBU+TVS保護(hù)電路通過(guò)了功能性測(cè)試。

3結(jié)論

在機(jī)井采集環(huán)境中，無(wú)線通信設(shè)備主要受雷電浪涌的影響且其危害較大，如果不在設(shè)計(jì)周期開始時(shí)就考慮電磁兼容性（electro magneticcompatibility，EMC）問(wèn)題，則可能導(dǎo)致設(shè)備的性能下降，增加后期維護(hù)成本，影響設(shè)備的投入使用。通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，單一的保護(hù)器件防浪涌水平低，π 型浪涌保護(hù)電路不僅能夠應(yīng)對(duì)更高等級(jí)的浪涌，還可以延長(zhǎng)浪涌抑制器件的使用壽命，有效提升機(jī)井采集系統(tǒng)的抗干擾能力，該電路的實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)瞬變保護(hù)電路具有一定的參考意義。