熱電偶信號線路雷電感應過電壓的抑制

摘要:根據平衡信號浪涌保護器(SPD)的電路結構，選取不同阻值的退耦元件,通過1.2/50μs.8/20μs組合波雷電沖擊測試和網絡信號插入損耗測試,分析信號SPD設備保護側的尖峰殘壓和插入損耗的參數特性,為熱電偶溫度傳感器通訊線路選取合理阻值范圍的退耦元件的信號SPD,可有效抑制熱電偶信號線路雷電感應過電壓,對壓縮機的溫度控制和檢測系統的實時運行具有重要意義。
　　近年來,國內乙烯產能不斷攀升,市場競爭壓力也越來越大。對于現有乙烯企業來說，如何做到乙烯裝置的安全平穩運行,是乙烯生產企業須深入探討的一個現實問題。乙烯制冷壓縮機作為乙烯工業最核心的壓縮機組之一,進口溫度通常達到-101℃左右,如此低的溫度條件對壓.縮機組的穩定運行提出了嚴峻的考驗,因此乙烯制冷壓縮機機組溫度的實時檢測與控制就重要。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、強穩定性等優勢,目前廣泛應用于制冷壓縮機機組的溫度監測。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信號中斷。現場的熱電偶溫度傳感器都直接安裝在乙烯制冷壓縮機機組的表面,而且與之連接的通訊線纜又直接暴露在復雜的電磁環境中，很容易遭受雷擊,據統計雷電產生的感應過電壓是造成熱電偶通訊線路故障的主要原因之一。隨著入們對雷電發生機制和信號浪涌保護器(SPD)結構的深入了解，對氣體放電管(CDT)、箝位二極管(TVS)、壓敏電阻(MOV)等防雷元器件的浪涌抑制參數都已有了較為深入。對GDT.TVS、MOV等防雷元器件進行了一系列的雷電流沖擊試驗平衡和非平衡信號SPD靜態傳輸特性試驗,并分析了它們的雷電參數特性。根據信號SPD的設計原理及平衡信號與非平衡信號傳輸特性參數的特點,選用不同啟動電壓的GDT、不同阻值的退耦電阻和不同直流擊穿電壓的TVS進行8/20μs電流波沖擊試驗,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律。主要對信號SPD的不同退耦電阻和不同分布電容進行測試,分析信號SPD不同退耦電阻和不同分布電容對通訊性能的影響。以上均未指出感應過電壓和雷擊電流同時對信號SPD尖峰殘壓產生的影響,而熱電偶通訊線路故障均由信號線路感應過電壓以及其在信號線中產生浪涌造成,因此需要對感應過電壓和雷擊電流同時對信號SPD尖峰殘壓的影響進行深入探究。
　　利用1.2/50μs、8/20μs組合波雷擊發生器對具有不同阻值退耦元件的信號SPD樣品進行雷電沖擊和插入損耗測試，分析信號SPD設備保護側的尖峰殘壓和插入損耗等參數特性,了解由浪涌入侵信號線路造成熱電偶信號故障的發生機制，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SPD,可以使熱電偶信號線路雷電感應過電壓的抑制效果更加有效。
1信號線路雷電感應過電壓的抑制
1.1平衡信號SPD的電路結構分析
　　第一級保護結構由一個GDT組成,主要作用是讓線間感應雷電流可以對地快速釋放;第二級保護結構是由TVS組成的線間箝位電路,主要作用是為了快速抑制GDT產生的線間殘壓;兩級保護電路中間的電阻為退耦元件。其結構原理如圖1所示。
 
　　當信號SPD動作后，首先利用第一級的氣體放電管對雷電瞬態過電壓能量進行泄放,之后利用第二級TVS進行電壓箝位,將電壓箝位在較低水平,以保護電子設備的信號端不遭到損壞。兩級中間的退耦電阻用來實現第一、二級的保護電路間的能量配合,如式(1)所示
 
　　式中:UG為GDT的啟動電壓,UT為TVS的箝位電壓,R為退耦電阻的阻值,IR為流過TVS和退耦電阻的雷擊電流。
　　由于TVS的雷電響應時間為ps級,GDT的響應時間為Ins級,當線路雷電感應過電壓從信號SPD進入未保護側時,TVS將快速啟動,在TVS兩側形成箝位電壓，雷擊電流開始逐漸變大,經過退耦電阻,使GDT兩端電壓迅速達到UG,對地快速釋放大電流,同時信號SPD保護側會在幾μs范圍內形成尖峰振蕩殘壓，然后殘壓進入穩態階段,如圖2所示。
 
1.2試驗方案及數據分析
　　采用1.2/50μs.8/20μs組合波發生器模擬雷電流對信號SPD進行沖擊試驗,為了保證只觀察信號SPD退耦電阻對測試樣品一次尖峰殘壓、二次尖峰殘壓、觸發穩態時間等雷電抑制效果參數的影響，將約束除了退耦元件以外其他防雷元件的性能參數。依據熱電偶信號線路5~6V工作電壓的實況，為線路浪涌抑制選取氣體放電管的直流擊穿電壓為90V,TVS的直流擊穿電壓為8.0V的信號SPD。
　　分別選取退耦電阻為10、4.7Ω和9.4Ω的信號SPD,通過組合波發生器施加不同的沖擊電壓和沖擊電流,測量沖擊之后熱電偶信號線上殘壓等參數。對不同退耦元件的信號SPD測試樣品未保護側線間A與B分別施加2kV/1kA、4kV/2kA.6kV/3kA、8kV/4kA、10kV/5kA的沖擊電壓和沖擊電流(差模測試),利用示波器測量不同退耦元件測試樣品保護側線間a與b的一次尖峰殘壓、二次尖峰殘壓、TVS箝位電壓、觸發穩態時間等電氣參數,示例波形如圖3~4所示，數據如表1所示。
 
 
　　由表1可知:(1)在1.2/50μs.8/20μs組合波沖擊下,信號SPD殘壓會在觸發之后開始產生劇烈振蕩,然后在幾μs之后才逐漸出現殘壓穩態現象;(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SPD的一次尖峰殘壓也在逐漸增大,當沖擊電壓和沖擊電流達到10kV/5kA時,一次尖峰殘壓已經達到80~100V,如果線路感應電壓繼續增大,一次尖峰殘壓可能比穩態殘壓大幾倍甚至十幾倍,雖然振蕩周期很短暫,但對熱電偶溫度傳感器信號傳輸的危害巨大;(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，相同測試電壓、電流下,信號SPD的一次尖峰殘壓會略有降低,而觸發穩態時間降低比較明顯,說明信號SPD退耦電阻阻值的增大可以大幅縮短尖峰殘壓的振蕩時間,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
　　從信號SPD殘壓數據可知:信號線路遭受雷電入侵時,雖然經過信號SPD抑制之后穩態殘壓很低，但對熱電偶溫度傳感器產生信號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備的耐沖擊電壓額定值最低要選在100V以上。從不同退耦電阻的信號SPD沖擊測試結果來看，同樣的沖擊電壓和沖擊電流下，隨著退耦電阻阻值的增大,一次尖峰殘壓會略有降低，但從雷電流感應觸發到TVS穩態的時間減少比較明顯。綜上所述,在1~10Ω范圍內,退耦電阻阻值越大,殘壓尖峰振蕩時間越少,對TVS和GDT啟動的能量配合效果越好,同時還要合理選擇熱電偶溫度傳感器設備的耐沖擊電壓額定值,這樣才能延長設備的使用壽命。
2平衡信號SPD對信號傳輸的影響
2.1平衡信號傳輸理論分析
　　平衡信號SPD對熱電偶溫度傳感器信號線路的雷電感應過電壓和過電流的抑制效果非常明顯，可以把信號線路上感應10kV以上的電壓抑制到100V左右的水平,但由于平衡信號SPD串聯接入熱電偶溫度傳感器信號線路中,會對信號線路中的信號傳輸造成較大衰減所以應在保證平衡信號SPD保護效果的前提下,盡量減小因加入退耦電阻而對信號線路正常通信造成的影響。
　　當沒有雷電波作用時,可以將平衡信號SPD結構原理圖等效為圖5所示的電路。
 
　　從圖5可知:影響線路信號傳輸性能的主要有3種重要參數,即分布電容值C1、分布電容值C2以及一級和二級保護電路之間的退耦電阻R和R2的阻值,在平衡網絡中R1和R2阻值相等。插入損耗(IL)是衡量信號SPD對信號線路通訊性能影響程度的重要指標,是指在通訊系統的某處由于元件或器件的接入而發生的負載功率的損耗,它表示為該元件或器件接入前負載上所接收到的功率與接入后同一負載上所接收到的功率以dB為單位的比值。其定義為:
 
　　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)的功率之比轉換為電壓之比，其定義為:
 
　　式中:U1為輸入端口的電壓,V;U2為輸出端口的電壓,V。
2.2試驗方案及數據分析
　　采用矢量網絡分析儀對雷電沖擊過的信號SPD測試樣品進行插入損耗測試，為了不同退耦電阻阻值對信號SPD插入損耗性能的影響，將先測量直流擊穿電壓為90V的放電管分布電容C1電容值為20pF;直流擊穿電壓為8V的TVS分布電容C2,電容值為90pF。然后將退耦電阻阻值分別為1Ω、4.7Ω、9.4Ω的3個樣品進行10kHz~100MHz范圍內的插入損耗測試,讀取最小值,結果如表2所示,示例波形如圖6~7所示。
 
 
2.3小結
　　從結果可知:平衡信號SPD的分布電容值一定時,隨著退耦電阻阻值的增加,在10kHz~100MHz范圍內,信號線路上的插入損耗逐漸增大。其中10kHz~70MHz范圍內3個不同退耦電阻的信號SPD插入損耗相差很大,退耦電阻1Ω的信號SPD傳輸性能最好,9.4Ω的信號SPD傳輸性能最差;從全頻段來看，1Ω和4.7Ω的信號SPD在最低值區域相差不大，而9.4Ω的信號SPD插入損耗超過了-2.0dB,影響了熱電偶溫度傳感器信號的傳輸。
3結語
　　壓縮機熱電偶溫度傳感器信號傳輸線系統對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。文章通過深入探究熱電偶溫度傳感器信號SPD在1.2/50μs8/20μs組合波2~10kV/1~5kA下的雷電感應過電壓抑制效果,并根據不同退耦電阻信號SPD的靜態網絡特性,分析SPD設備保護側的差模殘壓和插入損耗。結果表明，在退耦電阻1~10Ω范圍內，隨著阻值的增加,殘壓尖峰振蕩時間就會減少，熱電偶溫度傳感器的殘壓尖峰也會降低,保護效果更好;但插入損耗會逐漸增大，影響傳輸特性。綜合考慮雷電過電壓抑制效果和傳輸特性,熱電偶溫度傳感器的信號SPD退耦電阻推薦取值范圍為1~5Ω,可以為壓縮機溫度控制和檢測系統實時運行提供較高雷電防護水平。