二线制变送器端口抗扰度分析及抑制对策

卢慧慧，沈 寰，石 烜，苑世宁，杨仲江

（1.南京信息工程大学大气物理学院，南京210044；2.中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司，天津 300456）

二线制变送器端口抗扰度分析及抑制对策

卢慧慧1，沈 寰2，石 烜2，苑世宁2，杨仲江1

（1.南京信息工程大学大气物理学院，南京210044；2.中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司，天津 300456）

为了避免二线制变送器遭受雷电浪涌的破坏，对其端口进行浪涌抗扰度试验。试验电路分为直接耦合以及阻抗耦合两种，观察变送器在组合波的不同浪涌等级冲击下的抗扰度水平。试验表明，变送器在直接耦合的状态下抗浪涌能力很低，幅值为50 V的组合波已致其损坏。而变送器在阻抗耦合的条件下，抗扰度大幅提高，10 kV的组合波对变送器也不造成损害。多种退耦电阻以及两种型号的TVS管组成的浪涌保护器在组合波冲击下，当退耦电阻阻值为2.1 Ω时，TVS管的残压较小且浪涌保护器的前级泄放了大部分电流。

变送器；抗扰度；雷电浪涌；电涌保护

0 引言

工业的高速发展促使生产规模不断增大，因而自动化需求也越来越多。通常在生产过程中需要测量压力、温度、气体浓度等指标。二线制变送器不仅能实现这类非电物理量的远距离测量，而且电路简单、能耗低，因而在工业上被广泛应用。例如：石油钻井平台拥有大量可燃气体检测探头，主要采用二线制变送器传感方式。但在实际使用过程中，二线制变送器耐电涌能力较低，直击雷与雷电感应产生的浪涌极易毁坏变送器，并损坏终端设备，造成生产链的瘫痪。因此，二线制传感器浪涌抗扰度试验显得尤为重要。通过试验，可以模拟出变送器在不同条件下的浪涌抗扰度水平，如若抗扰度不满足要求，需要采取相关措施提高浪涌抗扰度。

目前针对线路及设备抗浪涌冲击的手段，相关学者进行了一些研究。例如刘芳[1]通过计算机电源端口的浪涌试验找出了其电源浪涌抗扰水平最低的情况；彭发东[2]等运用冲击抗扰度试验确定高压断路器在线监测设备的耐受浪涌等级，并改进电路提高浪涌抗扰水平。吴劲夫[3]从理论的角度分析了开关型SPD与限压型SPD的两级能量配合方式的可行性；李博等[4]验证了气体放电管（GDT）与瞬态抑制二极管（TVS）的能量配合的可行性;李清泉等[5]运用波过程理论进行了金属氧化物压敏电阻（MOV）与TVS的配合示例性的探讨，提出了两级配合的波过程理论的计算方法；卢燕[6]对 GDT，MOV，TVS的三级配合实验进行了初步研究，并与其他能量配合方式进行了对比分析，得出了一系列重要的参考结论。

笔者针对某品牌输出为4～20 mA电流信号的温度变送器（24DC 供电），依据 GBT17626.5－2008中的相关测试标准[7－8]对实验样品进行浪涌冲击测试规定，确定变送器端口在不同耦合方式以及不同试验等级下的浪涌抗扰水平。

1 变送器端口浪涌抗扰度试验

1.1 实验电路

为了模拟变送器在不同情况下的浪涌抗扰度水平，试验电路分为两种，分别是未安装耦合元件与安装耦合元件的端口浪涌抗扰度试验（具体见图1（a）、1（b））。

图1 实验电路Fig.1 Experimental circuits

1.2 抗扰度试验波形与严酷等级

依据GBT17626.5—2008的相关规定，变送器端口进行浪涌抗扰度试验须配备能产生1.2/50 μs组合波的发生器。1.2/50 μs开路电压波与8/20 μs短路电流波的波形和相关参数见图2和表1。

图2 1.2/50 μs开路电压波与8/20 μs短路电流波Fig.2 Combination waveform of 1.2/50 μs and 8/20 μs

表1 波形参数误差Table 1 Parameters of waveform

测试品是一输出为4～20 mA电流信号的温度变送器（24DC供电），变送器末端接热电偶，通过耦合/去耦网络按线对线的方式加入浪涌干扰信号。依据GBT3482—2008电子设备雷击试验方法，严酷等级如表2所示。每次试验后，将变送器接入24VDC电路中，并串连入一个电流表。给热电偶不断加热，观察电流表的示数变化，从而判断传感器是否发生损坏。如不正常工作应停止试验，从而确定雷击损坏幅值。

表2 浪涌严酷等级Table 2 Severities for surge

2 二线制变送器端口用电涌保护器

安装耦合元件的端口浪涌抗扰度试验采用SPD耦合。SPD涌保护器原理图如图3所示。以往单级防护产品由于防雷元件泄放了较大雷电流，因此残压也较高，并且由于泄放线路电感、电阻等原因仍会有较大感应电流流向后方设备。而采用多级雷电防护设计后第二级防雷元件只有很小的电流通过，因此残压非常低，并且由于电流值小，可以使用半导体元件以得到更低的残压和更快的响应速度。

图3 浪涌保护器原理图Fig.3 Schematic diagram of surge protector

二线制变送器端口用电涌保护器内部的两级雷电防护电路由气体放电管、退耦电阻、桥电路、以及TVS管组成。第一级使用大通流元件用于雷电能量的泄放，第二级使用低残压元件进行精准的钳压，并在第一级和第二级防雷元件之间加入退耦元件，从而在保证产品通流容量的前提下大幅度降低末级残压。其中气体放电管直流放电电压为90 V。浪涌保护器的气体放电管主要是释放浪涌能量，TVS管可以线间电压箝位，桥电路用来减小TVS管分布电容，退耦电阻则能较好地实现能量配合[9]。

3 试验分析

3.1 未安装电涌保护器

在变送器的信号线采用直接耦合的电路中，信号线间施加幅值为50 V的组合波时，示波器的波形如图4所示。

图4 未安装SPD时Um=50 V时的波形Fig.4 Waveform of transmitter port without SPD

由图4可以看出，变送器端口已经损坏。变送器的抗浪涌干扰能力非常低，幅值为50 V的1.2/50 μs开路电压波就能彻底损坏变送器。

3.2 安装电涌保护器

在变送器的信号线采用SPD耦合的电路中，信号线间分别正向、反向施加幅值为0.5 kV、1 kV、1.5 kV、4 kV、6 kV、10 kV的组合波。当电压幅值为10 kV 时，正、反向测试波形如图5（a）、5（b）。

图5 安装SPD时变送器端口波形Fig.5 Waveforms of transmitter port with SPD

安装有浪涌保护器耦合的电路中，变送器的抗扰度大幅提升，10 kV的组合波冲击下，变送器仍能正常工作。由此可以看出，为了防止浪涌对变送器造成损害，需要加装浪涌保护器对其进行保护。

3.3 电涌保护器级间配合

退耦装置可以防止与被保护设备安装距离过近而导致的防护失效问题 （当防雷器与被保护设备安装距离过近时，由于防雷元件由高阻切换为低阻状态需要一定的时间，此时被保护设备中的半导体元件有可能以更快的速度被雷电击穿，此时便发生了防护失效），并可进一步减小通过防雷器后流向被保护设备的雷电流。

选用多种不同阻值的退耦电阻以及两种类型的TVS 管构成电涌保护器，在 1.2/50 μs～8/20 μs组合波冲击下，进行线间浪涌测试，实验结果见表3和表4。表4为型号是P6KE27CA的TVS管组成的浪涌保护器的前后级分流实验结果。由表3和表4可以看出，不同的被试品在组合波浪涌冲击下，只有阻值大于2.1 Ω的退耦电阻构成的试验样品才能显示浪涌残压值，且随着电阻值的增大，试品的残压值也越来越大。由此可知，小于2.1 Ω的退耦电阻构成的测试样品在浪涌入侵之际，处在前级的气体放电管未能及时动作，因而全部浪涌能量向TVS管，致使其不堪耐受而损坏。

随着退耦电阻值不断的增加，施加在后端作为线间箝压的TVS管上的残压也逐渐增大，说明在实际安装应用中，退耦电阻并不是越大越好，合适的退耦电阻值可以改善气体放电管和TVS管之间的能量配合，避免作为线间箝压限位的TVS管上承受较大的能量，当退耦电阻超过最适值后，退耦电阻的增加会导致TVS管上的残压增大，不利于后续设备的影响。阻值等于或大于2.1 Ω的被试品能较好地实现前后级能量配合，即气体放电管能及时响应，从而只有少部分浪涌电流通过后级的TVS管。然而退耦电阻阻值增大的同时，TVS管的残压值也随之增大，影响保护效果。因而多级保护的浪涌保护器的退耦电阻理想阻值为2.1 Ω。

表3 不同退耦电阻对残压影响Table 3 Residual voltages under different decoupling resistors

表4 不同退耦电阻对前后级通流量影响Table 4 Through flows under different decoupling resistors

4 结论

通过对4～20 mA电流信号的温度变送器进行在不同耦合方式以及不同试验等级下的浪涌抗扰度实验，得到如下结论：

1）未安装耦合元件的4～20 mA变送器在50 V的组合波浪涌冲击下发生损坏。

2）变送器安装电涌保护器后，浪涌抗扰能力大幅提高，承受10 kV的组合波冲击后依旧可以正常工作。

3）选取2.1 Ω的退耦电阻构成变送器类仪器的电涌保护器，残压小，保护效果好。

[1]刘芳.个人计算机电源端口浪涌抗扰度试验[J].电测与仪表，2009（S2）：134－137.LIU Fang.Surge Immunity Test of Personal Computer at Power lines[J].Electrical Measurement&Instrumentation，2009 （S2）：134－137.

[2]彭发东，成永红，孟永鹏，等.高压断路器在线监测设备浪涌抗扰度试验[J].高电压技术，2007，33（8）:143－145.PENG Fadong，CHENG Yonghong，MENG Yongpeng，et al.Experimental study on surge immunity of on line monitoring device of high voltage circuit breaker[J].High Voltage Engineering，2007，33（8）:143－145.

[3]吴劲夫.电涌保护器级间能量配合设计[J].煤炭技术，2012，31（9）：41－42.WU Jinfu.SPD stage to stage energy cooperating design[J].Coal Technology，2012，31（9）：41－42.

[4]李博，李洋，王俊飞.通信设备用浪涌保护器中放电管与TVS管最佳组合的探讨 [J].铁道技术监督，2012，40（12）：47－48.LI Bo，LI Yang，WANG Junfei.Discussion on the optimum combination of discharge tube and TVS tube in SPD of communication equipment[J].Railway Quality Control，2012，40（12）:47－48.

[5]李清泉，张伟政，袁鹏，等.浪涌抑制器配合的动态研究[J].高电压技术，2002，28（9）:11－13.LI Qingquan，ZHANG Weizheng，YUAN Peng，et al.Research of the coordination of the SPDs[J].High Voltage Engineering，2002，28（9）:11－13.

[6]卢燕.电涌保护器的性能与试验方法研究[D].南京:南京信息工程大学遥感学院，2008:44－51.LU Yan.Research on surge protection device capability and test methods[D].Nanjing：School of Remote Sensing Nanjing University of Information Soience&Technology.2008:44－51.

[7]GBT3482－2008，电子设备雷击试验方法[S].2008.

[8]GBT17626.5－2008，电磁兼容 试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验[S].2008.

[9]郭远东.浪涌（冲击）电压波形与浪涌抑制元件[J].电子产品可靠性与环境试验，2011，29（2）：16－19.GUO Yuandong.Surge voltage waveform and surge suppression components[J].Electronic Product Reliability and Environmental Testing，2011，29（1）:16－19.

Analysis on the Immunity of Two-Wire Transmitter Port and Suppression Countermeasure

LU Huihui1， SHEN Huan2， SHI Xuan2， YUAN Shining2， YANG Zhongjiang1
（1.The School of Atmospheric Physics， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China；2.CNOOC Ener Tech-Safety&Environmental Protection Co.， Tianjin 300456， China）

To avoid the two-wire transmitter suffered by lightning surge damage，the surge immunity test is carried out on its port.The test circuit is divided into direct coupling and coupling impedance，and the transmitter immunity level observed at different combinations of wave surge rating shocks.Experimental results show that anti-surge capability of the transmitter is in a low level under direct coupling，the transmitter is damaged when amplitude of the combination is 50 V.While in the condition of the impedance coupling， the immunity of transmitter is greatly improved， and the transmitter is not damaged even the amplitude of the combination wave is up to 10 kV.The results also show that the decoupling resistor will affect the residual voltage and the most appropriate value of the decoupling resistor is 2.1 Ω.

transmitter； immunity； lightning surge； surge protection

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.004

2015-11-27

卢慧慧 （1992—），女，硕士，研究方向为电磁兼容。

中海油能源发展股份有限公司资助科研项目 （编号：HFKJ-RL1401）；国家自然科学基金项目 （编号：41175003）；江苏高校优势学科建设工程资助项目 （PADA）。