淺談地磅數字傳感器儀表的防雷設計
由于多傳感器稱重設備大都安裝在室外,特別是數字式地磅和軌道衡等 大型衡器,其數字傳感器金屬外殼很容易引來雷電襲擊。雷擊過電壓產生的尖峰脈沖侵入數 字傳感器與儀表之間的連線,導致儀表燒壞,從而使得稱重系統無法正常工作。因此提高數 字傳感器儀表的防雷性能十分必要。本文圍繞地磅數字傳感器儀表的防雷設計及防雷擊測試淺談 一些筆者的經驗,與同行探討。
一、數字傳感器廣泛應用,稱重儀表接口電 路的雷擊防護越來越重要
數字傳感器具有可靠性高、防作弊、抗干擾 能力強和信號傳輸距離長等優點,受到越來越多 的用戶歡迎。如圖1所示,由于大多數多傳感器稱 重設備都安裝在室外,特別是數字式地磅和軌 道衡等大型衡器,其數字式傳感器金屬外殼很容 易引來雷電襲擊。雷擊過電壓產生的尖峰脈沖侵 入傳感器與儀表之間的連線,使得連線上的電壓 幅值遠高于儀表的工作電壓值而導致儀表燒壞, 從而使得稱重系統無法正常工作,給企業造成巨 大的經濟損失。可見,對數字傳感器儀表接口電 路的雷擊防護越來越顯得重要。
二、數字傳感器儀表雷擊防護的基本方法和 技術措施
2.1數字傳感器儀表感應雷擊的特點
雷電是大氣中自然放電現象,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著的門窗進入室內,有的由 煙囪或通氣管道滾進樓房,一般發生的較少,只 有在一些特殊的地理環境或者特殊的基站位置上 才會有球形雷的發生。雷電感應:感應雷擊是由 于雷雨云的靜電感應或放電時的電磁感應作用, 使建筑物上的金屬物件,如管道、電線等感應出 與雷雨云電荷相反的電荷,造成放電所引起。感 應雷雖沒直擊雷猛烈,但發生機率卻要比直擊雷 高,且不論雷云對地閃擊或雷云間閃擊都有可能 造成災害。此外直擊雷一次只能襲擊一個小范圍 的目標,而感應雷則可以在一個大范圍內多個小 局部同時產生過壓現象。
據統計,雷電放電發生在雷云與地之間的特 性如下:
目前,各種大型電氣設備和高大建筑物廠 房都設有較為完善的防雷擊措施,能有效地防止雷電的直接侵害,但防感應雷電的效果確實很 —般。由于感應雷電防不勝防,因此本設計主要 考慮數字傳感器儀表對感應雷擊承受能力。
在IEC- 1024標準中,把一個建筑物內的電源 輸入線及數據線所能感應到的最高電壓及電流分 為A-E五區,本儀表的安裝位置屬于B區。每區 的最高感應電壓及電流又以此建筑物的所在位置 不同而分為高、中、低雷擊風險度,不同的風險 度有不同的感應電壓及電流,見表2。
又根據IEC61000- 4- 5標準附錄A中的規定, 本儀表的安裝類別屬于4類。按表A1所規定的試 驗等級,4類安裝方式的浪涌電壓不超過4kV,且 電源線和數據線按同一等級試驗。
因此,本儀表數據線上的雷電感應電壓及電 流,按表2、B區電源輸入雷電感應規定的中度雷 擊風險度來考核。
2.2數字傳感器儀表雷擊防護的措施 根據經驗,本儀表將按如圖2所示方式進行雷 擊測試。雷擊發生器的一端接于數字傳感器外殼, 傳感器和儀表外殼通過屏蔽電纜可靠連接,儀表外殼再通過電纜串聯采樣電阻后接至發生器的另一個端.
對于某一過壓或過流沖擊脈沖,經過一級保 護以后,仍會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,同樣會損壞核心 電路,因此對儀表接口電路采取多級防護措施。
2.2.1信號線上的防雷擊保護 如圖3所示,信號線上的保護為:
第一級保護:氣體放電管。由于被保護電路 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 ;
第二級保護:壓敏電阻+限流電阻。由于被保 護電路正常工作時電壓為5V左右,壓敏電阻的標 稱電壓應大于5x 1.5=7.5V,反應速度小于0.5ns。
當電壓上升速率為1kV/us的浪涌波入侵時,由 于氣體放電管到達500V的起弧電壓需0.5us,因此壓 敏電阻將先起動,保護器件響應的順序如圖4所示。
1)流過壓敏電阻浪涌電流計算:
由于浪涌波入侵的前0.5us,氣體放電管未導 通時,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
壓敏電阻上實際流過的浪涌電流為:Is= 500- 74.6 /(2+4.7)=63.5A
根據IEC61000- 4- 5要求,所選壓敏電阻必須 能承受連續的十次,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,對應的Ugemx為69A,大于63.6A。
2)吸收能量計算:
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可滿足保護電路的要求。
2.2.2電源線上的防雷擊保護 如圖7所示,電源線上的保護為:
第一級保護:壓敏電阻。由于被保護電路正 常工作時電壓為12V左右,壓敏電阻的標稱電壓應大于12x 1.5=18V,反應速度小于0.5ns ;
第二級保護:瞬態抑制二極管。由于被保護 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,反應速度為10kV/us。
由于電源線路的內阻較低,加上氣體放電管 被擊穿時電阻也很低,而此時流過的浪涌電流非 常大,可能高達數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行保護。
當電壓上升速率為1kV/us的浪涌波入侵時, 由于瞬態抑制二極管要達到100V的擊穿電壓需 10ns,因此壓敏電阻將先起動,保護器件響應的順 序如圖8所示。
流過壓敏電阻的浪涌電流計算及功率計算同 信號線,略。
2.3保護器件使用的注意事項:
下面是保護器件在使用中建議的注意事項:
1)器件的擊穿電壓。擊穿電壓值選擇是至關 重要的,它關系到保護效果與使用壽命。如果擊 穿電壓高于被保護電路能承受的最大電壓,則起 不到過電壓保護作用;如果擊穿電壓過低,則保 護器件容易誤動作或被擊穿,從而影響電路的正 常工作。
2)器件的動作時間。器件的響應時間應快于線 路響應時間,搶先一步將過電壓限制在安全范圍內。
3)器件可通過的峰值電流應滿足設計要求。 保護器件應該對后繼電路安全可靠并具有良好的 可恢復性。如果選用的器件不能承受實際過大的 峰值電流,就會導致該器件的損壞,使被保護電 路不得不進入維修期。
4)器件引線對干擾抑制的影響。器件的引線 過長,因其的感抗作用,會對器件限壓有很大影 響。如氣體放電管,在其導電瞬間有很大的電流通過,引線越長,引線電感產生的附加感應電壓 U=L di/d)就越大,因此在瞬態電流通過時,在 引線上會產生瞬間高壓,對被保護設備不利。
5)器件的接地。器件的接地線應盡量短而 粗,并可靠連接,以保證瞬變過電壓產生的能量 被快速泄放到地,將后級電路的電壓限制在安全 范圍內。
三、數字傳感器儀表防雷測試要求和方法 在數字式儀表設計之前,對與本產品相關的 測試標準進行了研究分析,以指導產品設計和測 試,從而使產品具備更好的防雷性能。
3.1IEEE Std 4- 1995 :高電壓測試技術標準 IEEE Std 4- 1995標準規定了對試驗程序和被 試品的一般要求,試驗電壓和電流的產生,試驗 方法、試驗結果的處理方法,試驗是否合格的判 據和人工污穢試驗的要求。在9.1.8 “標準脈沖電 流”章節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。
結論:由于這個標準適用于額定電壓在1000V 以上的設備,因此本儀表不屬于此類設備,但在測 試過程中使用的設備和方法按這個標準執行。使用 標準中規定的8/20us短路電流波形進行測試。
3.2 IEC62305- 1 :雷電保護——第1部分:總則 IEC62305- 1標準規定了雷電保護的基本原則、 選擇雷電防護措施的方法及雷電防護等級(LPL。 并在附錄中提供了雷擊電流參數、用于分析目的 的雷擊電流時間參數、試驗目的用的雷擊電流的 模擬等參數。
在附錄E的表E.2中定義了低電壓系統的測 試波形和峰值:
直擊雷:10/350us 波形,S lOkVApk 感應雷:8/20us波形,S 5kVApk 結論:IEC62305- 1標準中的一些脈沖波形和 峰值電流不適用于本儀表測試,但感應雷:8/20us 波形,S 5kVApk適用于本表。
3.3 IEC61000-4-5 :電磁兼容——試驗與測 量技術-第五部分:浪涌抗擾度試驗
本標準規定了設備對由開關和雷電瞬變過電 壓引起的單極性浪涌沖擊的抗擾度要求、試驗方 法和推薦的試驗等級范圍,規定了幾個與試驗環 境和安裝狀態有關的試驗等級。附錄B中列出了 不同的安裝類別,附錄A介紹了用于不同安裝情 況下設備的試驗等級選擇。圖13描述了通過屏蔽 電纜連接的兩個接地設備的浪涌抗擾度試驗方法。
結論:數字傳感器儀表采用本標準中圖13所 示的連接方式測試。根據附錄A中的規定,本儀 表的安裝類別屬于4類,此類別對應的試驗等級 為 8/20us 波形,S 4k%k。
3.4最終結論:按標準提供的要求和測試方 法對儀表進行測試。
同時參考三個標準中適用于本儀表的條例。