浅谈地磅数字传感器仪表的防雷设计
由于多传感器称重设备大都安装在室外,特别是数字式地磅和轨道衡等 大型衡器,其数字传感器金属外壳很容易引来雷电袭击。雷击过电压产生的尖峰脉冲侵入数 字传感器与仪表之间的连线,导致仪表烧坏,从而使得称重系统无法正常工作。因此提高数 字传感器仪表的防雷性能十分必要。本文围绕地磅数字传感器仪表的防雷设计及防雷击测试浅谈 一些笔者的经验,与同行探讨。
一、数字传感器广泛应用,称重仪表接口电 路的雷击防护越来越重要
数字传感器具有可靠性高、防作弊、抗干扰 能力强和信号传输距离长等优点,受到越来越多 的用户欢迎。如图1所示,由于大多数多传感器称 重设备都安装在室外,特别是数字式地磅和轨 道衡等大型衡器,其数字式传感器金属外壳很容 易引来雷电袭击。雷击过电压产生的尖峰脉冲侵 入传感器与仪表之间的连线,使得连线上的电压 幅值远高于仪表的工作电压值而导致仪表烧坏, 从而使得称重系统无法正常工作,给企业造成巨 大的经济损失。可见,对数字传感器仪表接口电 路的雷击防护越来越显得重要。
二、数字传感器仪表雷击防护的基本方法和 技术措施
2.1数字传感器仪表感应雷击的特点
雷电是大气中自然放电现象,雷电的破坏作 用主要由以下几种方面引起:直击雷:直击雷是 雷电直接击在建筑物上。球形雷:球形雷主要是 沿建筑物的孔洞或开着的门窗进入室内,有的由 烟囱或通气管道滚进楼房,一般发生的较少,只 有在一些特殊的地理环境或者特殊的基站位置上 才会有球形雷的发生。雷电感应:感应雷击是由 于雷雨云的静电感应或放电时的电磁感应作用, 使建筑物上的金属物件,如管道、电线等感应出 与雷雨云电荷相反的电荷,造成放电所引起。感 应雷虽没直击雷猛烈,但发生机率却要比直击雷 高,且不论雷云对地闪击或雷云间闪击都有可能 造成灾害。此外直击雷一次只能袭击一个小范围 的目标,而感应雷则可以在一个大范围内多个小 局部同时产生过压现象。
据统计,雷电放电发生在雷云与地之间的特 性如下:
目前,各种大型电气设备和高大建筑物厂 房都设有较为完善的防雷击措施,能有效地防止雷电的直接侵害,但防感应雷电的效果确实很 —般。由于感应雷电防不胜防,因此本设计主要 考虑数字传感器仪表对感应雷击承受能力。
在IEC- 1024标准中,把一个建筑物内的电源 输入线及数据线所能感应到的最高电压及电流分 为A-E五区,本仪表的安装位置属于B区。每区 的最高感应电压及电流又以此建筑物的所在位置 不同而分为高、中、低雷击风险度,不同的风险 度有不同的感应电压及电流,见表2。
又根据IEC61000- 4- 5标准附录A中的规定, 本仪表的安装类别属于4类。按表A1所规定的试 验等级,4类安装方式的浪涌电压不超过4kV,且 电源线和数据线按同一等级试验。
因此,本仪表数据线上的雷电感应电压及电 流,按表2、B区电源输入雷电感应规定的中度雷 击风险度来考核。
2.2数字传感器仪表雷击防护的措施 根据经验,本仪表将按如图2所示方式进行雷 击测试。雷击发生器的一端接于数字传感器外壳, 传感器和仪表外壳通过屏蔽电缆可靠连接,仪表外壳再通过电缆串联采样电阻后接至发生器的另一个端.
对于某一过压或过流冲击脉冲,经过一级保 护以后,仍会有残余电压流至后继电路。若后继 电路不能承受残余电压的冲击,同样会损坏核心 电路,因此对仪表接口电路采取多级防护措施。
2.2.1信号线上的防雷击保护 如图3所示,信号线上的保护为:
第一级保护:气体放电管。由于被保护电路 能承受的最高电压为80V,故选择的气体放电管 的直流起弧电压为90± 20%,浪涌起弧电压小于 500V dkV/U ;
第二级保护:压敏电阻+限流电阻。由于被保 护电路正常工作时电压为5V左右,压敏电阻的标 称电压应大于5x 1.5=7.5V,反应速度小于0.5ns。
当电压上升速率为1kV/us的浪涌波入侵时,由 于气体放电管到达500V的起弧电压需0.5us,因此压 敏电阻将先起动,保护器件响应的顺序如图4所示。
1)流过压敏电阻浪涌电流计算:
由于浪涌波入侵的前0.5us,气体放电管未导 通时,电阻大于10GQ,因此浪涌电流将全部流 入压敏电阻,电流为:
Is=500V/(2+4.7Q )=74.6A 从图5所示压敏电阻的V特性曲线上可查 得,CT1206K20G可将电路电压箝位在90V。考虑 到土 10%的误差后,Vg=90x 0.9/1.1=73.6V
压敏电阻上实际流过的浪涌电流为:Is= 500- 74.6 /(2+4.7)=63.5A
根据IEC61000- 4- 5要求,所选压敏电阻必须 能承受连续的十次,幅值为63.5A、波形为8/20us 的浪涌电流冲击。由图6可查得:t=20us、十次冲 击,对应的Ugemx为69A,大于63.6A。
2)吸收能量计算:
W=74.6Vx 63.5AX 20x 10-6S=0.09J<0.7J(器件 允许的最大值)
由此可得:CT1206K20G可满足保护电路的要求。
2.2.2电源线上的防雷击保护 如图7所示,电源线上的保护为:
第一级保护:压敏电阻。由于被保护电路正 常工作时电压为12V左右,压敏电阻的标称电压应大于12x 1.5=18V,反应速度小于0.5ns ;
第二级保护:瞬态抑制二极管。由于被保护 电路能承受的最高电压为100V,故选择击穿电压 为的100V的二极管,反应速度为10kV/us。
由于电源线路的内阻较低,加上气体放电管 被击穿时电阻也很低,而此时流过的浪涌电流非 常大,可能高达数kA,极易烧坏气体放电管,因 此电源线上不宜采用气体放电管进行保护。
当电压上升速率为1kV/us的浪涌波入侵时, 由于瞬态抑制二极管要达到100V的击穿电压需 10ns,因此压敏电阻将先起动,保护器件响应的顺 序如图8所示。
流过压敏电阻的浪涌电流计算及功率计算同 信号线,略。
2.3保护器件使用的注意事项:
下面是保护器件在使用中建议的注意事项:
1)器件的击穿电压。击穿电压值选择是至关 重要的,它关系到保护效果与使用寿命。如果击 穿电压高于被保护电路能承受的最大电压,则起 不到过电压保护作用;如果击穿电压过低,则保 护器件容易误动作或被击穿,从而影响电路的正 常工作。
2)器件的动作时间。器件的响应时间应快于线 路响应时间,抢先一步将过电压限制在安全范围内。
3)器件可通过的峰值电流应满足设计要求。 保护器件应该对后继电路安全可靠并具有良好的 可恢复性。如果选用的器件不能承受实际过大的 峰值电流,就会导致该器件的损坏,使被保护电 路不得不进入维修期。
4)器件引线对干扰抑制的影响。器件的引线 过长,因其的感抗作用,会对器件限压有很大影 响。如气体放电管,在其导电瞬间有很大的电流通过,引线越长,引线电感产生的附加感应电压 U=L di/d)就越大,因此在瞬态电流通过时,在 引线上会产生瞬间高压,对被保护设备不利。
5)器件的接地。器件的接地线应尽量短而 粗,并可靠连接,以保证瞬变过电压产生的能量 被快速泄放到地,将后级电路的电压限制在安全 范围内。
三、数字传感器仪表防雷测试要求和方法 在数字式仪表设计之前,对与本产品相关的 测试标准进行了研究分析,以指导产品设计和测 试,从而使产品具备更好的防雷性能。
3.1IEEE Std 4- 1995 :高电压测试技术标准 IEEE Std 4- 1995标准规定了对试验程序和被 试品的一般要求,试验电压和电流的产生,试验 方法、试验结果的处理方法,试验是否合格的判 据和人工污秽试验的要求。在9.1.8 “标准脉冲电 流”章节中列出了常用的脉冲电流波形,其中包 括8/20us短路电流波形。
结论:由于这个标准适用于额定电压在1000V 以上的设备,因此本仪表不属于此类设备,但在测 试过程中使用的设备和方法按这个标准执行。使用 标准中规定的8/20us短路电流波形进行测试。
3.2 IEC62305- 1 :雷电保护——第1部分:总则 IEC62305- 1标准规定了雷电保护的基本原则、 选择雷电防护措施的方法及雷电防护等级(LPL。 并在附录中提供了雷击电流参数、用于分析目的 的雷击电流时间参数、试验目的用的雷击电流的 模拟等参数。
在附录E的表E.2中定义了低电压系统的测 试波形和峰值:
直击雷:10/350us 波形,S lOkVApk 感应雷:8/20us波形,S 5kVApk 结论:IEC62305- 1标准中的一些脉冲波形和 峰值电流不适用于本仪表测试,但感应雷:8/20us 波形,S 5kVApk适用于本表。
3.3 IEC61000-4-5 :电磁兼容——试验与测 量技术-第五部分:浪涌抗扰度试验
本标准规定了设备对由开关和雷电瞬变过电 压引起的单极性浪涌冲击的抗扰度要求、试验方 法和推荐的试验等级范围,规定了几个与试验环 境和安装状态有关的试验等级。附录B中列出了 不同的安装类别,附录A介绍了用于不同安装情 况下设备的试验等级选择。图13描述了通过屏蔽 电缆连接的两个接地设备的浪涌抗扰度试验方法。
结论:数字传感器仪表采用本标准中图13所 示的连接方式测试。根据附录A中的规定,本仪 表的安装类别属于4类,此类别对应的试验等级 为 8/20us 波形,S 4k%k。
3.4最终结论:按标准提供的要求和测试方 法对仪表进行测试。
同时参考三个标准中适用于本仪表的条例。