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。