热电偶信号线路雷电感应过电压的抑制研究

孙水英

(上海今电实业有限公司，上海 200540)

近年来，国内乙烯产能不断攀升，市场竞争压力也越来越大。对于现有乙烯企业来说，如何做到乙烯装置的安全平稳运行，是乙烯生产企业须深入探讨的一个现实问题[1]。乙烯制冷压缩机作为乙烯工业最核心的压缩机组之一，进口温度通常达到-101 ℃左右，如此低的温度条件对压缩机组的稳定运行提出了严峻的考验，因此乙烯制冷压缩机机组温度的实时检测与控制就非常重要。热电偶温度传感器基于材料的电阻-温度变化特性原理，具有高灵敏度、强稳定性等优势，目前广泛应用于制冷压缩机机组的温度监测[2]。但热电偶温度传感器也有致命缺陷，就是绝缘耐压水平低、抗浪涌能力差，在雷暴天气很容易出现信号中断。现场的热电偶温度传感器都直接安装在乙烯制冷压缩机机组的表面，而且与之连接的通讯线缆又直接暴露在复杂的电磁环境中，很容易遭受雷击，据统计雷电产生的感应过电压是造成热电偶通讯线路故障的主要原因之一。随着人们对雷电发生机制和信号浪涌保护器(SPD)结构的深入了解，对气体放电管(GDT)、箝位二极管(TVS)、压敏电阻(MOV)等防雷元器件的浪涌抑制参数都已有了较为深入的研究。朱若虚等[3]主要对GDT、TVS、MOV等防雷元器件进行了一系列的雷电流冲击试验、平衡和非平衡信号SPD静态传输特性试验，并分析了它们的雷电参数特性。陈良英等[4]主要根据信号SPD的设计原理及平衡信号与非平衡信号传输特性参数的特点，选用不同启动电压的GDT、不同阻值的退耦电阻和不同直流击穿电压的TVS进行8/20 μs电流波冲击试验，分析残压和通流分别随退耦元件阻值、箝位元件直流击穿电压及冲击电压的变化规律。李祥超等[5]主要对信号SPD的不同退耦电阻和不同分布电容进行测试，分析信号SPD不同退耦电阻和不同分布电容对通讯性能的影响。以上研究均未指出感应过电压和雷击电流同时对信号SPD尖峰残压产生的影响，而热电偶通讯线路故障均由信号线路感应过电压以及其在信号线中产生浪涌造成，因此需要对感应过电压和雷击电流同时对信号SPD尖峰残压的影响进行深入探究。

文章主要利用1.2/50 μs、8/20 μs组合波雷击发生器对具有不同阻值退耦元件的信号SPD样品进行雷电冲击和插入损耗测试，分析信号SPD设备保护侧的尖峰残压和插入损耗等参数特性，了解由浪涌入侵信号线路造成热电偶信号故障的发生机制，探究在热电偶通讯线路中安装什么阻值范围的退耦元件的信号SPD，可以使热电偶信号线路雷电感应过电压的抑制效果更加有效[6-7]。

1 信号线路雷电感应过电压的抑制

1.1 平衡信号SPD的电路结构分析

第一级保护结构由一个GDT组成，主要作用是让线间感应雷电流可以对地快速释放；第二级保护结构是由TVS组成的线间箝位电路，主要作用是为了快速抑制GDT产生的线间残压；两级保护电路中间的电阻为退耦元件[8]。其结构原理如图1所示。

图1 平衡信号SPD的电路结构

当信号SPD动作后，首先利用第一级的气体放电管对雷电瞬态过电压能量进行泄放，之后利用第二级TVS进行电压箝位，将电压箝位在较低水平，以保护电子设备的信号端不遭到损坏。两级中间的退耦电阻用来实现第一、二级的保护电路间的能量配合，如式(1)所示[8]。

UG=UT+2×R×IR

(1)

式中：UG为GDT的启动电压，UT为TVS的箝位电压，R为退耦电阻的阻值，IR为流过TVS和退耦电阻的雷击电流。

由于TVS的雷电响应时间为ps级，GDT的响应时间为ns级，当线路雷电感应过电压从信号SPD进入未保护侧时，TVS将快速启动，在TVS两侧形成箝位电压，雷击电流开始逐渐变大，经过退耦电阻，使GDT两端电压迅速达到UG，对地快速释放大电流，同时信号SPD保护侧会在几μs范围内形成尖峰振荡残压，然后残压进入稳态阶段，如图2所示。

图2 平衡信号SPD在1.2/50 μs、8/20 μs组合波下的残压曲线

1.2 试验方案及数据分析

采用1.2/50 μs、8/20 μs组合波发生器模拟雷电流对信号SPD进行冲击试验，为了保证只观察信号SPD退耦电阻对测试样品一次尖峰残压、二次尖峰残压、触发稳态时间等雷电抑制效果参数的影响，将约束除了退耦元件以外其他防雷元件的性能参数。依据热电偶信号线路5～6 V工作电压的实况，为线路浪涌抑制选取气体放电管的直流击穿电压为90 V，TVS的直流击穿电压为8.0 V的信号SPD。

分别选取退耦电阻为1 Ω、4.7 Ω和9.4 Ω的信号SPD，通过组合波发生器施加不同的冲击电压和冲击电流，测量冲击之后热电偶信号线上残压等参数。对不同退耦元件的信号SPD测试样品未保护侧线间A与B分别施加2 kV/1 kA、4 kV/2 kA、6 kV/3 kA、8 kV/4 kA、10 kV/5 kA的冲击电压和冲击电流(差模测试)，利用示波器测量不同退耦元件测试样品保护侧线间a与b的一次尖峰残压、二次尖峰残压、TVS箝位电压、触发稳态时间等电气参数，示例波形如图3～4所示，数据如表1所示。

图3 1 Ω退耦电阻信号SPD在2 kV/1 kA组合波冲击下的尖峰残压曲线

图4 1 Ω退耦电阻信号SPD在10 kV/5 kA组合波冲击下的尖峰残压曲线

表1 不同退耦电阻信号SPD在1.2/50、8/20 μs组合波冲击下的尖峰残压参数

由表1可知：(1)在1.2/50 μs、8/20 μs组合波冲击下，信号SPD残压会在触发之后开始产生剧烈振荡，然后在几μs之后才逐渐出现残压稳态现象；(2)在退耦电阻阻值一定的情况下，随着冲击电压和冲击电流的逐渐增大，信号SPD的一次尖峰残压也在逐渐增大，当冲击电压和冲击电流达到10 kV/5 kA时，一次尖峰残压已经达到80～100 V，如果线路感应电压继续增大，一次尖峰残压可能比稳态残压大几倍甚至十几倍，虽然振荡周期很短暂，但对热电偶温度传感器信号传输的危害巨大；(3)在GDT和TVS直流击穿电压不变的情况下，随着退耦电阻阻值的逐渐增大，相同测试电压、电流下，信号SPD的一次尖峰残压会略有降低，而触发稳态时间降低比较明显，说明信号SPD退耦电阻阻值的增大可以大幅缩短尖峰残压的振荡时间，减少热电偶温度传感器因尖峰残压振荡损坏的概率。

1.3 小结

从信号SPD残压数据可知：信号线路遭受雷电入侵时，虽然经过信号SPD抑制之后稳态残压很低，但对热电偶温度传感器产生信号故障的主要危害因素还是尖峰残压，且振荡剧烈，因此热电偶温度传感器设备的耐冲击电压额定值最低要选在100 V以上。从不同退耦电阻的信号SPD冲击测试结果来看，同样的冲击电压和冲击电流下，随着退耦电阻阻值的增大，一次尖峰残压会略有降低，但从雷电流感应触发到TVS稳态的时间减少比较明显。综上所述，在1～10 Ω范围内，退耦电阻阻值越大，残压尖峰振荡时间越少，对TVS和GDT启动的能量配合效果越好，同时还要合理选择热电偶温度传感器设备的耐冲击电压额定值，这样才能延长设备的使用寿命。

2 平衡信号SPD对信号传输的影响

2.1 平衡信号传输理论分析

平衡信号SPD对热电偶温度传感器信号线路的雷电感应过电压和过电流的抑制效果非常明显，可以把信号线路上感应10 kV以上的电压抑制到100 V左右的水平，但由于平衡信号SPD串联接入热电偶温度传感器信号线路中，会对信号线路中的信号传输造成较大衰减[9-10]，所以应在保证平衡信号SPD保护效果的前提下，尽量减小因加入退耦电阻而对信号线路正常通信造成的影响。

当没有雷电波作用时，可以将平衡信号SPD结构原理图等效为图5所示的电路。

图5 平衡信号SPD网络静态等效电路

从图5可知：影响线路信号传输性能的主要有3种重要参数，即分布电容值C1、分布电容值C2以及一级和二级保护电路之间的退耦电阻R1和R2的阻值，在平衡网络中R1和R2阻值相等。插入损耗(IL)是衡量信号SPD对信号线路通讯性能影响程度的重要指标，是指在通讯系统的某处由于元件或器件的接入而发生的负载功率的损耗，它表示为该元件或器件接入前负载上所接收到的功率与接入后同一负载上所接收到的功率以dB为单位的比值[11-12]。其定义为：

(2)

式中：P1为输入到输出端口的功率，mW；P2为从输出端口接收到的功率，mW。

将式(2)的功率之比转换为电压之比，其定义为：

(3)

式中：U1为输入端口的电压，V；U2为输出端口的电压，V。

2.2 试验方案及数据分析

采用矢量网络分析仪对雷电冲击过的信号SPD测试样品进行插入损耗测试，为了研究不同退耦电阻阻值对信号SPD插入损耗性能的影响，将先测量直流击穿电压为90 V的放电管分布电容C1，电容值为20 pF；直流击穿电压为8 V的TVS分布电容C2，电容值为90 pF。然后将退耦电阻阻值分别为1 Ω、4.7 Ω、9.4 Ω的3个样品进行10 kHz～100 MHz范围内的插入损耗测试，读取最小值，结果如表2所示，示例波形如图6～7所示。

表2 不同退耦电阻信号SPD幅频特性参数 dB

图6 1 Ω退耦电阻信号SPD幅频特性曲线

图7 9.4 Ω退耦电阻信号SPD幅频特性曲线

2.3 小结

从实验结果可知：平衡信号SPD的分布电容值一定时，随着退耦电阻阻值的增加，在10 kHz～100 MHz范围内，信号线路上的插入损耗逐渐增大。其中10 kHz～70 MHz范围内3个不同退耦电阻的信号SPD插入损耗相差很大，退耦电阻1 Ω的信号SPD传输性能最好，9.4 Ω的信号SPD传输性能最差；从全频段来看，1 Ω和4.7 Ω的信号SPD在最低值区域相差不大，而9.4 Ω的信号SPD插入损耗超过了-2.0 dB，影响了热电偶温度传感器信号的传输。

3 结语

压缩机热电偶温度传感器信号传输线系统对耦合雷电电磁波的频率具有一定的选择性，从已知频谱上看，雷电电磁波主要能量集中在较低频域。文章通过深入探究热电偶温度传感器信号SPD在1.2/50 μs、8/20 μs组合波2～10 kV/1～5 kA下的雷电感应过电压抑制效果，并根据不同退耦电阻信号SPD的静态网络特性，分析SPD设备保护侧的差模残压和插入损耗。研究结果表明，在退耦电阻1～10 Ω范围内，随着阻值的增加，残压尖峰振荡时间就会减少，热电偶温度传感

器的残压尖峰也会降低，保护效果更好；但插入损耗会逐渐增大，影响传输特性。综合考虑雷电过电压抑制效果和传输特性，热电偶温度传感器的信号SPD退耦电阻推荐取值范围为1～5 Ω，可以为压缩机温度控制和检测系统实时运行提供较高雷电防护水平[13]。