气体放电管中的残留电荷对残压的影响

王石成，周 杰 ，刘 俊

（1.南京信息工程大学中国气象局气溶胶云降水重点开放实验室，南京210044；2.泰州市气象局，江苏 泰州225300）

气体放电管中的残留电荷对残压的影响

王石成1，2，周 杰1，刘 俊2

（1.南京信息工程大学中国气象局气溶胶云降水重点开放实验室，南京210044；2.泰州市气象局，江苏 泰州225300）

研究温度传感器接口的抗雷电冲击能力以及气体放电管内的残留电荷对4～20 mA温度传感器残压的影响。发现：幅值为50 V的脉冲电压即可导致温度传感器接口损坏，说明温度传感器接口不具备抗雷电浪涌能力；气体放电管内的残留电荷，使气体放电管的残压有逐渐减小的趋势；随着冲击电压的增加，同一冲击电压下多次冲击后，气体放电管的残压值逐渐稳定。

温度传感器；雷电浪涌；浪涌保护器；残留电荷；残压

0 引言

温度传感器被广泛应用于石油钻井平台，但由于暴露在室外，很容易遭受雷电浪涌的干扰，通常在传感器前安装信号类浪涌保护器 (气体放电管与TVS管并联）进行防护。

工业上普通使用的温度传感器的输出值都是4～20 mA，采用电流信号的原因是：1）不容易受干扰；2）电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。上限取20 mA，是由于20 mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯，符合防爆的要求。下限没有取0 mA的原因是为了能检测断线。

气体放电管的残留电荷容易导致残压不稳定，先前已经有关于气体放电管残留电荷的研究：文献[1－4]认为气体放电管在经受大电流冲击之后，极易在电极处积聚残留电荷。文献[5－7]认为施加在气体放电管上的冲击次数对积聚电荷有显著影响，随着冲击次数增加，残留电荷趋于稳定。目前的研究主要停留在积聚电荷的产生与消散机理以及气体放电管的击穿电压值上，并没有研究残留电荷对残压的影响，因为残压作为直接施加在被保护设备上的电压是浪涌保护器防护能力的重要指标，所以展开残留电荷对残压的影响的研究有比较实际的意义。

1 试验方案和分析

1.1 试验样品及测试方法

被试品是某品牌温度传感器（24DC供电，4～20mA信号输出），传感器末端接热电偶。通过耦合/去耦网络按线对线的方式加入浪涌干扰信号，严酷等级从0.5 kV、1 kV、1.5 kV、4 kV、6 kV、10 kV 逐渐施加雷电电压（如表1所示），正、负极各施加5次，每两次试验间隔至少3分钟[8－9]。每轮试验结束后，先将热电偶接入一个新的温度传感器中，以验证热电偶没有损坏，再将实验采用的传感器与热电偶接入24DC电路中，并串连入一个电流表。给热电偶不断加热，[U7]观察电流表的示数变化，从而判断传感器是否发生损坏。

图1 电路原理图Fig.1 The circuit principle diagram

对接口的正、负极多次施加1.2/50开路电压波[10]，1.2/50 μs开路电压波形如图2所示，产生1.2/50 μs开路电压波形的发生器结构的电路原理图如图3所示。

图2 1.2/50电压波Fig.2 1.2/50 voltage wave

图3 1.2/50 μs电压波发生器的电路原理图Fig.3 Circuit principle diagram of 1.2/50 μs voltage wave generator

图中U为高压源，Rc为充电电阻，Cc为储能电容Rs1、Rs2为脉冲持续时间形成电阻，Rm为阻抗匹配电阻，Lr为上升时间形成电感。选择不同元件Rs1、Rs2、Rm、Lr和 Cc，可形成 1.2/50 开路电压波。

浪涌保护器由气体放电管，退耦电阻、桥电路、以及TVS管组成，电路实物图与原理图分别如图4、5所示。该电路其中气体放电管直流放电电压为90V，退耦电阻为2.2 Ω，TVS管的Vc为33 V。在传感器的信号线采用直接耦合的电路中，信号线间施加幅值为50V的1.2/50波形，示波器的波形如图6和图7所示。

图4 浪涌保护器内部结构图Fig.4 Internal structure of surge protective device

图5 浪涌保护器原理图Fig.5 Principle diagram of surge protector

传感器接口没有安装浪涌保护器之前，施加幅值为50 V的1.2/50电压波形，分压器的分压比为1.25，其残压波形如图6所示。

图6 幅值为50 V的1.2/50电压波形冲击时的残压波形图Fig.6 the residual voltage waveform of 1.2/50 voltage waveform with amplitude of 50 V

传感器接口在没有安装浪涌保护器时经受了幅值为50 V的1.2/50电压波形的冲击后，对温度传感器进行加热，不管加热多久，流过传感器接口的电流始终为0 mA并维持不变，说明温度传感器接口电路没有经受住50 V的1.2/50电压波形冲击，发生了损坏，说明传感器接口几乎不具备抗浪涌能力。安装上浪涌保护器之后，施加1.2/50电压波形，图7为幅值6 kV的电压波形。

图7 电压幅值为6 kV的残压波形Fig.7 The residual voltage of 6 kV

温度传感器接口在安装上了浪涌保护器之后，经过实验室从0.5～10 kV所有幅值的1.2/50开路电压波的冲击后，测得的残压值如表1和表2所示，由于本文只探讨残压值，没有测量电流值。

1.2 试验过程及数据分析

温度传感器两端在不同冲击电压下的残压值如表1和表2所示

根据表1和标2的数据分别画出温度传感器接口两端残压随冲击电压变化的趋势，图8是线线间残压趋势，图9是线地间残压趋势。

图8右上角的数字1－10分别代表同一充电电压下的10次冲击（正负各5次），由图中可以看出同一冲击电压下，传感器的残压呈下降趋势，随着冲击电压的增加，同一冲击电压下的10次残压相对紧密一点。

表1 线-线间残压Table 1 Line-line residual voltage V

表2 线-地间残压Table 2 Line-ground residual voltage V

图8 传感器接口线－线间残压随冲击电压变化趋势Fig.8 The change trend of the residual voltage between the line－line with the impulse voltage

图9中可以分析出：同一冲击电压下，传感器的10次残压呈下降趋势，当冲击电压为0.5 kV时，其10次冲击残压分布得很分散，但随着冲击电压及冲击次数的增加，同一冲击电压下的10次残压变得相对紧密起来。

图9 传感器接口线－地间残压随冲击电压变化趋势Fig.9 The change tendency of the interface between line－ground residual voltage with the impulse voltage

2 气体放电管辉光放电原理分析

综合图8和图9分析可知，随着冲击电压幅值的升高，传感器接口的残压也升高，并且同一个冲击电压幅值下，传感器残压随着冲击次数的增加而下降，这是因为气体放电管残留的电荷降低了气体放电管的启动电压，从而降低了残压。多次冲击带来的电荷积累对放电管辉光放电产生了促进的作用，经过多次 1.2/50开路电压波冲击，放电管在没有明显损坏的情况下，随着冲击次数的增加，放电管残留电荷逐渐增加，放电管内电子获得更多电场能量，从电极开始电离[11]，增强电子碰撞电离和二次电离能力[12－13]，促进气体放电管内部的辉光放电过程，导致冲击放电电压值有逐渐减小的趋势。随着冲击电压的增加，并且残留电荷随着冲击电压的增加而增加，导致气体放电管中气体因为电离而需要吸收的能量减小从而导致残压也随着冲击电压的增加而增加[14]，同一冲击电压下的10次残压值逐渐变得稳定，是因为内部电荷积累到一定程度后，使气体放电管的辉光放电过程逐渐稳定，从而使残压稳定。

气体放电管残留电荷积累主要是因为放电管电极、空气和瓷壳交界处易产生残留电荷，冲击电压下产生的大量电荷通过电子漂移附着在氧化铝瓷壳上引起电荷积聚。

线－线间的残压也要明显高于线－地之间，这是由于线－线间安装保护器的目的是用于线间箝压限位，没有接地，雷电浪涌能量只是平均分布到了两线之间，并没有通过接地得到释放。而线－地之间的雷电浪涌通过接地得到释放，所以线－线间的残压要高于线－地之间的残压。

3 结 论

1）气体放电管经过多次高电压脉冲冲击后，气体放电管内部开始积聚电荷，积聚电荷推动了放电管辉光放电过程，对冲击放电电压产生影响，导致气体放电管的击穿电压有减小的趋势。

2）传感器转换接口内部存在电路结构，安装浪涌保护器之前，对电压幅值为50 V的雷电浪涌尚不具备抗干扰能力，传感器接口几乎不具备抗雷电浪涌干扰能力，另外由于温度传感器接口被广泛应用于石油钻井平台极易遭受雷电感应电压侵袭，所以为了避免造成损害事故，建议在温度传感器接口前安装浪涌保护器。

3）气体放电管随着冲击次数的增加，电荷积聚到一定量之后逐渐稳定，其击穿电压变化趋势趋于平稳，所以气体放电管在出厂时需要先接受一定次数的高电压冲击，使其内部电气特性趋于稳定。

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Analysis the Influence of Residual Charges in Gas Discharge Tubes on Residual Voltage

WANG Shicheng1,2，ZHOU Jie1，LIU Jun2
（1.Nanjing University of Information Science and Technology，Key Laboratory for Aerosol－Cloud－Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing 210044，China；2.Taizhou Meteorological Bureau，Taizhou 225300，China）

The study on the effect of lightning impulse resistant ability for temperature sensor interface and the residual charge of gas discharge tube on 4～20 mA temperature sensor residual voltage and found：amplitude of 50 V pulsed voltage can lead to temperature sensor interface damage，indicating that the temperature sensor interface does not have anti lightning surge capacity；the residual charge of gas discharge tube makes the gas discharge tube has a gradually decreasing trend；with increase of impulse voltage.After repeated impact under the same impulse voltage，along with the increase of impulse voltage，the residual voltage value of the gas discharge tube gradually stabilized.

temperature sensor；lightning surge；surge protector；residual charge；residual voltage

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.010

2016－02－18

王石成（1988—），男，硕士，从事雷电防护。

国家自然科学基金资助项目（编号：41175003）；国家重点基础研究发展计划 “973计划”资助项目（编号：2014CB441405）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（编号：PAPD）。