熱電偶信號線路雷電感應(yīng)過電壓的抑制

摘要:根據(jù)平衡信號浪涌保護器(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組合波雷電沖擊測試和網(wǎng)絡(luò)信號插入損耗測試,分析信號SPD設(shè)備保護側(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SPD,可有效抑制熱電偶信號線路雷電感應(yīng)過電壓,對壓縮機的溫度控制和檢測系統(tǒng)的實時運行具有重要意義。
　　近年來,國內(nèi)乙烯產(chǎn)能不斷攀升,市場競爭壓力也越來越大。對于現(xiàn)有乙烯企業(yè)來說，如何做到乙烯裝置的安全平穩(wěn)運行,是乙烯生產(chǎn)企業(yè)須深入探討的一個現(xiàn)實問題。乙烯制冷壓縮機作為乙烯工業(yè)最核心的壓縮機組之一,進口溫度通常達(dá)到-101℃左右,如此低的溫度條件對壓.縮機組的穩(wěn)定運行提出了嚴(yán)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(wěn)定性等優(yōu)勢,目前廣泛應(yīng)用于制冷壓縮機機組的溫度監(jiān)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(xiàn)信號中斷。現(xiàn)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(fù)雜的電磁環(huán)境中，很容易遭受雷擊,據(jù)統(tǒng)計雷電產(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。隨著入們對雷電發(fā)生機制和信號浪涌保護器(SPD)結(jié)構(gòu)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(shù)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(tài)傳輸特性試驗,并分析了它們的雷電參數(shù)特性。根據(jù)信號SPD的設(shè)計原理及平衡信號與非平衡信號傳輸特性參數(shù)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(guī)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(yīng)過電壓和雷擊電流同時對信號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線路感應(yīng)過電壓以及其在信號線中產(chǎn)生浪涌造成,因此需要對感應(yīng)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(fā)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(shè)備保護側(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線路造成熱電偶信號故障的發(fā)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(yīng)過電壓的抑制效果更加有效。
1信號線路雷電感應(yīng)過電壓的抑制
1.1平衡信號SPD的電路結(jié)構(gòu)分析
　　第一級保護結(jié)構(gòu)由一個GDT組成,主要作用是讓線間感應(yīng)雷電流可以對地快速釋放;第二級保護結(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;兩級保護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SPD動作后，首先利用第一級的氣體放電管對雷電瞬態(tài)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(shè)備的信號端不遭到損壞。兩級中間的退耦電阻用來實現(xiàn)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(yīng)時間為ps級,GDT的響應(yīng)時間為Ins級,當(dāng)線路雷電感應(yīng)過電壓從信號SPD進入未保護側(cè)時,TVS將快速啟動,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,對地快速釋放大電流,同時信號SPD保護側(cè)會在幾μs范圍內(nèi)形成尖峰振蕩殘壓，然后殘壓進入穩(wěn)態(tài)階段,如圖2所示。
 
1.2試驗方案及數(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(fā)穩(wěn)態(tài)時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(fā)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(shù)。對不同退耦元件的信號SPD測試樣品未保護側(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(差模測試),利用示波器測量不同退耦元件測試樣品保護側(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SPD殘壓會在觸發(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,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,但對熱電偶溫度傳感器信號傳輸?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，相同測試電壓、電流下,信號SPD的一次尖峰殘壓會略有降低,而觸發(fā)穩(wěn)態(tài)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(jié)
　　從信號SPD殘壓數(shù)據(jù)可知:信號線路遭受雷電入侵時,雖然經(jīng)過信號SPD抑制之后穩(wěn)態(tài)殘壓很低，但對熱電偶溫度傳感器產(chǎn)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(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SPD沖擊測試結(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,一次尖峰殘壓會略有降低，但從雷電流感應(yīng)觸發(fā)到TVS穩(wěn)態(tài)的時間減少比較明顯。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(shè)備的耐沖擊電壓額定值,這樣才能延長設(shè)備的使用壽命。
2平衡信號SPD對信號傳輸?shù)挠绊?br /> 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(yīng)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(yīng)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(lián)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(yīng)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(dāng)沒有雷電波作用時,可以將平衡信號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以及一級和二級保護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SPD對信號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試驗方案及數(shù)據(jù)分析
　　采用矢量網(wǎng)絡(luò)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(nèi)的插入損耗測試,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(nèi),信號線路上的插入損耗逐漸增大。其中10kHz~70MHz范圍內(nèi)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(qū)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(jié)語
　　壓縮機熱電偶溫度傳感器信號傳輸線系統(tǒng)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(yīng)過電壓抑制效果,并根據(jù)不同退耦電阻信號SPD的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性,分析SPD設(shè)備保護側(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(tǒng)實時運行提供較高雷電防護水平。