熱電偶信號(hào)線路雷電感應(yīng)過電壓的抑制

摘要:根據(jù)平衡信號(hào)浪涌保護(hù)器(SPD)的電路結(jié)構(gòu)，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(cè)試和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)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的參數(shù)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(hào)SPD,可有效抑制熱電偶信號(hào)線路雷電感應(yīng)過電壓,對(duì)壓縮機(jī)的溫度控制和檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行具有重要意義。
　　近年來,國(guó)內(nèi)乙烯產(chǎn)能不斷攀升,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力也越來越大。對(duì)于現(xiàn)有乙烯企業(yè)來說，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)問題。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)。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。現(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(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(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(shù)都已有了較為深入。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。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8/20μs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。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。以上均未指出感應(yīng)過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。
　　利用1.2/50μs、8/20μs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)過電壓的抑制效果更加有效。
1信號(hào)線路雷電感應(yīng)過電壓的抑制
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。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
 
　　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
 
　　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Ins級(jí),當(dāng)線路雷電感應(yīng)過電壓從信號(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。
 
1.2試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)分析
　　采用1.2/50μs.8/20μs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5~6V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90V,TVS的直流擊穿電壓為8.0V的信號(hào)SPD。
　　分別選取退耦電阻為10、4.7Ω和9.4Ω的信號(hào)SPD,通過組合波發(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2kV/1kA、4kV/2kA.6kV/3kA、8kV/4kA、10kV/5kA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。
 
 
　　由表1可知:(1)在1.2/50μs.8/20μs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10kV/5kA時(shí),一次尖峰殘壓已經(jīng)達(dá)到80~100V,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?(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100V以上。從不同退耦電阻的信號(hào)SPD沖擊測(cè)試結(jié)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(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1~10Ω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?br /> 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)過電壓和過電流的抑制效果非常明顯，可以把信號(hào)線路上感應(yīng)10kV以上的電壓抑制到100V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。
 
　　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R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。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(zhuǎn)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(yàn)方案及數(shù)據(jù)分析
　　采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)雷電沖擊過的信號(hào)SPD測(cè)試樣品進(jìn)行插入損耗測(cè)試，為了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(gè)樣品進(jìn)行10kHz~100MHz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。
 
 
2.3小結(jié)
　　從結(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10kHz~100MHz范圍內(nèi),信號(hào)線路上的插入損耗逐漸增大。其中10kHz~70MHz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1Ω的信號(hào)SPD傳輸性能最好,9.4Ω的信號(hào)SPD傳輸性能最差;從全頻段來看，1Ω和4.7Ω的信號(hào)SPD在最低值區(qū)域相差不大，而9.4Ω的信號(hào)SPD插入損耗超過了-2.0dB,影響了熱電偶溫度傳感器信號(hào)的傳輸。
3結(jié)語
　　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。文章通過深入探究熱電偶溫度傳感器信號(hào)SPD在1.2/50μs8/20μs組合波2~10kV/1~5kA下的雷電感應(yīng)過電壓抑制效果,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。結(jié)果表明，在退耦電阻1~10Ω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1~5Ω,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。