由于多傳感器稱(chēng)重設(shè)備大都安裝在室外，特別是數(shù)字式地磅和軌道衡等 大型衡器，其數(shù)字傳感器金屬外殼很容易引來(lái)雷電襲擊。雷擊過(guò)電壓產(chǎn)生的尖峰脈沖侵入數(shù) 字傳感器與儀表之間的連線，導(dǎo)致儀表燒壞，從而使得稱(chēng)重系統(tǒng)無(wú)法正常工作。因此提高數(shù) 字傳感器儀表的防雷性能十分必要。本文圍繞地磅數(shù)字傳感器儀表的防雷設(shè)計(jì)及防雷擊測(cè)試淺談 一些筆者的經(jīng)驗(yàn)，與同行探討。

一、數(shù)字傳感器廣泛應(yīng)用，稱(chēng)重儀表接口電 路的雷擊防護(hù)越來(lái)越重要

數(shù)字傳感器具有可靠性高、防作弊、抗干擾 能力強(qiáng)和信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多 的用戶(hù)歡迎。如圖1所示，由于大多數(shù)多傳感器稱(chēng) 重設(shè)備都安裝在室外，特別是數(shù)字式地磅和軌 道衡等大型衡器，其數(shù)字式傳感器金屬外殼很容 易引來(lái)雷電襲擊。雷擊過(guò)電壓產(chǎn)生的尖峰脈沖侵 入傳感器與儀表之間的連線，使得連線上的電壓 幅值遠(yuǎn)高于儀表的工作電壓值而導(dǎo)致儀表燒壞， 從而使得稱(chēng)重系統(tǒng)無(wú)法正常工作，給企業(yè)造成巨 大的經(jīng)濟(jì)損失。可見(jiàn)，對(duì)數(shù)字傳感器儀表接口電 路的雷擊防護(hù)越來(lái)越顯得重要。

二、數(shù)字傳感器儀表雷擊防護(hù)的基本方法和 技術(shù)措施

2.1數(shù)字傳感器儀表感應(yīng)雷擊的特點(diǎn)

雷電是大氣中自然放電現(xiàn)象，雷電的破壞作 用主要由以下幾種方面引起：直擊雷：直擊雷是 雷電直接擊在建筑物上。球形雷：球形雷主要是 沿建筑物的孔洞或開(kāi)著的門(mén)窗進(jìn)入室內(nèi)，有的由 煙囪或通氣管道滾進(jìn)樓房，一般發(fā)生的較少，只 有在一些特殊的地理環(huán)境或者特殊的基站位置上 才會(huì)有球形雷的發(fā)生。雷電感應(yīng)：感應(yīng)雷擊是由 于雷雨云的靜電感應(yīng)或放電時(shí)的電磁感應(yīng)作用， 使建筑物上的金屬物件，如管道、電線等感應(yīng)出 與雷雨云電荷相反的電荷，造成放電所引起。感 應(yīng)雷雖沒(méi)直擊雷猛烈，但發(fā)生機(jī)率卻要比直擊雷 高，且不論雷云對(duì)地閃擊或雷云間閃擊都有可能 造成災(zāi)害。此外直擊雷一次只能襲擊一個(gè)小范圍 的目標(biāo)，而感應(yīng)雷則可以在一個(gè)大范圍內(nèi)多個(gè)小 局部同時(shí)產(chǎn)生過(guò)壓現(xiàn)象。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，雷電放電發(fā)生在雷云與地之間的特 性如下：

目前，各種大型電氣設(shè)備和高大建筑物廠 房都設(shè)有較為完善的防雷擊措施，能有效地防止雷電的直接侵害，但防感應(yīng)雷電的效果確實(shí)很 —般。由于感應(yīng)雷電防不勝防，因此本設(shè)計(jì)主要 考慮數(shù)字傳感器儀表對(duì)感應(yīng)雷擊承受能力。

在IEC- 1024標(biāo)準(zhǔn)中，把一個(gè)建筑物內(nèi)的電源 輸入線及數(shù)據(jù)線所能感應(yīng)到的最高電壓及電流分 為A-E五區(qū)，本儀表的安裝位置屬于B區(qū)。每區(qū) 的最高感應(yīng)電壓及電流又以此建筑物的所在位置 不同而分為高、中、低雷擊風(fēng)險(xiǎn)度，不同的風(fēng)險(xiǎn) 度有不同的感應(yīng)電壓及電流，見(jiàn)表2。

又根據(jù)IEC61000- 4- 5標(biāo)準(zhǔn)附錄A中的規(guī)定, 本儀表的安裝類(lèi)別屬于4類(lèi)。按表A1所規(guī)定的試 驗(yàn)等級(jí)，4類(lèi)安裝方式的浪涌電壓不超過(guò)4kV,且 電源線和數(shù)據(jù)線按同一等級(jí)試驗(yàn)。

因此，本儀表數(shù)據(jù)線上的雷電感應(yīng)電壓及電 流,按表2、B區(qū)電源輸入雷電感應(yīng)規(guī)定的中度雷 擊風(fēng)險(xiǎn)度來(lái)考核。

2.2數(shù)字傳感器儀表雷擊防護(hù)的措施 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本儀表將按如圖2所示方式進(jìn)行雷 擊測(cè)試。雷擊發(fā)生器的一端接于數(shù)字傳感器外殼, 傳感器和儀表外殼通過(guò)屏蔽電纜可靠連接，儀表外殼再通過(guò)電纜串聯(lián)采樣電阻后接至發(fā)生器的另一個(gè)端.

對(duì)于某一過(guò)壓或過(guò)流沖擊脈沖，經(jīng)過(guò)一級(jí)保 護(hù)以后，仍會(huì)有殘余電壓流至后繼電路。若后繼 電路不能承受殘余電壓的沖擊，同樣會(huì)損壞核心 電路，因此對(duì)儀表接口電路采取多級(jí)防護(hù)措施。

2.2.1信號(hào)線上的防雷擊保護(hù) 如圖3所示，信號(hào)線上的保護(hù)為：

第一級(jí)保護(hù)：氣體放電管。由于被保護(hù)電路 能承受的最高電壓為80V,故選擇的氣體放電管 的直流起弧電壓為90± 20%,浪涌起弧電壓小于 500V dkV/U ；

第二級(jí)保護(hù)：壓敏電阻+限流電阻。由于被保 護(hù)電路正常工作時(shí)電壓為5V左右，壓敏電阻的標(biāo) 稱(chēng)電壓應(yīng)大于5x 1.5=7.5V,反應(yīng)速度小于0.5ns。

當(dāng)電壓上升速率為1kV/us的浪涌波入侵時(shí)，由 于氣體放電管到達(dá)500V的起弧電壓需0.5us,因此壓 敏電阻將先起動(dòng)，保護(hù)器件響應(yīng)的順序如圖4所示。

1）流過(guò)壓敏電阻浪涌電流計(jì)算：

由于浪涌波入侵的前0.5us,氣體放電管未導(dǎo) 通時(shí)，電阻大于10GQ,因此浪涌電流將全部流 入壓敏電阻，電流為：

Is=500V/(2+4.7Q )=74.6A 從圖5所示壓敏電阻的V特性曲線上可查 得，CT1206K20G可將電路電壓箝位在90V。考慮 到土 10%的誤差后，Vg=90x 0.9/1.1=73.6V

壓敏電阻上實(shí)際流過(guò)的浪涌電流為：Is= 500- 74.6 /(2+4.7)=63.5A

根據(jù)IEC61000- 4- 5要求，所選壓敏電阻必須 能承受連續(xù)的十次，幅值為63.5A、波形為8/20us 的浪涌電流沖擊。由圖6可查得：t=20us、十次沖 擊，對(duì)應(yīng)的Ugemx為69A,大于63.6A。

2）吸收能量計(jì)算：

W=74.6Vx 63.5AX 20x 10-6S=0.09J<0.7J(器件 允許的最大值）

由此可得：CT1206K20G可滿足保護(hù)電路的要求。

2.2.2電源線上的防雷擊保護(hù) 如圖7所示，電源線上的保護(hù)為：

第一級(jí)保護(hù)：壓敏電阻。由于被保護(hù)電路正 常工作時(shí)電壓為12V左右，壓敏電阻的標(biāo)稱(chēng)電壓應(yīng)大于12x 1.5=18V,反應(yīng)速度小于0.5ns ;

第二級(jí)保護(hù)：瞬態(tài)抑制二極管。由于被保護(hù) 電路能承受的最高電壓為100V,故選擇擊穿電壓 為的100V的二極管，反應(yīng)速度為10kV/us。

由于電源線路的內(nèi)阻較低，加上氣體放電管 被擊穿時(shí)電阻也很低，而此時(shí)流過(guò)的浪涌電流非 常大，可能高達(dá)數(shù)kA,極易燒壞氣體放電管，因 此電源線上不宜采用氣體放電管進(jìn)行保護(hù)。

當(dāng)電壓上升速率為1kV/us的浪涌波入侵時(shí), 由于瞬態(tài)抑制二極管要達(dá)到100V的擊穿電壓需 10ns,因此壓敏電阻將先起動(dòng)，保護(hù)器件響應(yīng)的順 序如圖8所示。

流過(guò)壓敏電阻的浪涌電流計(jì)算及功率計(jì)算同 信號(hào)線，略。

2.3保護(hù)器件使用的注意事項(xiàng)：

下面是保護(hù)器件在使用中建議的注意事項(xiàng)：

1）器件的擊穿電壓。擊穿電壓值選擇是至關(guān) 重要的，它關(guān)系到保護(hù)效果與使用壽命。如果擊 穿電壓高于被保護(hù)電路能承受的最大電壓，則起 不到過(guò)電壓保護(hù)作用；如果擊穿電壓過(guò)低，則保 護(hù)器件容易誤動(dòng)作或被擊穿，從而影響電路的正 常工作。

2）器件的動(dòng)作時(shí)間。器件的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)快于線 路響應(yīng)時(shí)間，搶先一步將過(guò)電壓限制在安全范圍內(nèi)。

3）器件可通過(guò)的峰值電流應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。 保護(hù)器件應(yīng)該對(duì)后繼電路安全可靠并具有良好的 可恢復(fù)性。如果選用的器件不能承受實(shí)際過(guò)大的 峰值電流，就會(huì)導(dǎo)致該器件的損壞，使被保護(hù)電 路不得不進(jìn)入維修期。

4）器件引線對(duì)干擾抑制的影響。器件的引線 過(guò)長(zhǎng)，因其的感抗作用，會(huì)對(duì)器件限壓有很大影 響。如氣體放電管，在其導(dǎo)電瞬間有很大的電流通過(guò)，引線越長(zhǎng)，引線電感產(chǎn)生的附加感應(yīng)電壓 U=L di/d)就越大，因此在瞬態(tài)電流通過(guò)時(shí)，在 引線上會(huì)產(chǎn)生瞬間高壓，對(duì)被保護(hù)設(shè)備不利。

5）器件的接地。器件的接地線應(yīng)盡量短而 粗，并可靠連接，以保證瞬變過(guò)電壓產(chǎn)生的能量 被快速泄放到地，將后級(jí)電路的電壓限制在安全 范圍內(nèi)。

三、數(shù)字傳感器儀表防雷測(cè)試要求和方法 在數(shù)字式儀表設(shè)計(jì)之前，對(duì)與本產(chǎn)品相關(guān)的 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究分析，以指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和測(cè) 試，從而使產(chǎn)品具備更好的防雷性能。

3.1IEEE Std 4- 1995 :高電壓測(cè)試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) IEEE Std 4- 1995標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對(duì)試驗(yàn)程序和被 試品的一般要求，試驗(yàn)電壓和電流的產(chǎn)生，試驗(yàn) 方法、試驗(yàn)結(jié)果的處理方法，試驗(yàn)是否合格的判 據(jù)和人工污穢試驗(yàn)的要求。在9.1.8 “標(biāo)準(zhǔn)脈沖電 流”章節(jié)中列出了常用的脈沖電流波形，其中包 括8/20us短路電流波形。

結(jié)論：由于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)適用于額定電壓在1000V 以上的設(shè)備，因此本儀表不屬于此類(lèi)設(shè)備，但在測(cè) 試過(guò)程中使用的設(shè)備和方法按這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。使用 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的8/20us短路電流波形進(jìn)行測(cè)試。

3.2 IEC62305- 1 ：雷電保護(hù)——第1部分：總則 IEC62305- 1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了雷電保護(hù)的基本原則、 選擇雷電防護(hù)措施的方法及雷電防護(hù)等級(jí)（LPL。 并在附錄中提供了雷擊電流參數(shù)、用于分析目的 的雷擊電流時(shí)間參數(shù)、試驗(yàn)?zāi)康挠玫睦讚綦娏鞯?/span> 模擬等參數(shù)。

在附錄E的表E.2中定義了低電壓系統(tǒng)的測(cè) 試波形和峰值：

直擊雷：10/350us 波形，S lOkVApk 感應(yīng)雷：8/20us波形，S 5kVApk 結(jié)論：IEC62305- 1標(biāo)準(zhǔn)中的一些脈沖波形和 峰值電流不適用于本儀表測(cè)試，但感應(yīng)雷：8/20us 波形，S 5kVApk適用于本表。

3.3 IEC61000-4-5 :電磁兼容——試驗(yàn)與測(cè) 量技術(shù)-第五部分：浪涌抗擾度試驗(yàn)

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了設(shè)備對(duì)由開(kāi)關(guān)和雷電瞬變過(guò)電 壓引起的單極性浪涌沖擊的抗擾度要求、試驗(yàn)方 法和推薦的試驗(yàn)等級(jí)范圍，規(guī)定了幾個(gè)與試驗(yàn)環(huán) 境和安裝狀態(tài)有關(guān)的試驗(yàn)等級(jí)。附錄B中列出了 不同的安裝類(lèi)別，附錄A介紹了用于不同安裝情 況下設(shè)備的試驗(yàn)等級(jí)選擇。圖13描述了通過(guò)屏蔽 電纜連接的兩個(gè)接地設(shè)備的浪涌抗擾度試驗(yàn)方法。

結(jié)論：數(shù)字傳感器儀表采用本標(biāo)準(zhǔn)中圖13所 示的連接方式測(cè)試。根據(jù)附錄A中的規(guī)定，本儀 表的安裝類(lèi)別屬于4類(lèi)，此類(lèi)別對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)等級(jí) 為 8/20us 波形，S 4k%k。

3.4最終結(jié)論：按標(biāo)準(zhǔn)提供的要求和測(cè)試方 法對(duì)儀表進(jìn)行測(cè)試。

同時(shí)參考三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中適用于本儀表的條例。