數據采集器的浪涌抗擾度試驗研究

李明月 ，鄧計才

（1.鄭州恩普特科技股份有限公司，鄭州450001；2.鄭州大學，鄭州450001）

1 引言

數據采集器廣泛地應用于電力、化工、煤炭、冶金等行業大型設備振動、溫度等數據的采集，其工作環境較為復雜，現場一些地方出現傳感器損壞的情況。經分析，其損壞路徑如下：220V電網波動造成采集器電源24V輸出波動，進而可能造成傳感器的損壞。現場的實際安裝情況為：采集器放置的位置都在控制室內，周圍為鋼結構，甚至旁邊就有避雷針，我們所有設備包括傳感器的安裝位置都不算高，不存在被雷直接擊中的可能性，但如果是感應雷（間接雷擊）還是有可能的。

部分地區雷擊的發生較為頻繁，它可以通過大地感應耦合到供電網絡中，從而產生較大的能量脈沖，給在此網絡里工作的電子產品、設備或系統造成影響甚至是不可修復的損壞。另外，供電回路中一些開關的閉合也會產生較高能量的脈沖，會嚴重影響電子產品或系統的可靠性。因此，浪涌（沖擊）抗擾度試驗就逐步出現在了許多的國際和國內標準中。浪涌（沖擊）抗擾度試驗的主要任務是找出電子設備在規定的工作狀態下，對由開關或雷電作用所產生的有一定危害電平的反應，主要目的是為評定電氣和電子設備在遭受浪涌（沖擊）時的性能提供一個評判依據。

本文主要針對現場出現的問題，參照GB/T17626.5-2008《電磁兼容試驗和測量技術浪涌（沖擊）抗擾度試驗》規定的方法來進行測試、驗證和分析。

2 浪涌抗擾度試驗

圖1 雷擊浪涌抗擾度試驗配置圖

圖2 雷擊浪涌典型波形圖

2.1 試驗計劃(參數)

①試驗波形：對于鏈接到對稱通信線的端口，應使用10/700μS的組合波信號發生器。對于其他情況，特別是連接到電源線和短距離信號互連接的端口，應使用1.2/50μS的組合波信號發生器，這里我們對電源端口選擇1.2/50μS的試驗波形,對信號口選擇10/700μS的試驗波形。②試驗等級：鑒于采集器主要應用于工業環境中，目前無相應的產品標準。但其實際運行環境與電力產品相同，參考國網標準，選擇通過級別。這里我們選擇電源端口：共模±4kV,差模±2kV；信號端口：±1kV。首次試驗時，由于不了解產品實際情況，需從較低試驗等級開始進行測試，這里我們從±0.5kV開始進行，逐級遞增。③浪涌發生次數：除非相關的產品標準有規定，施加在直流電源端和互聯線上的浪涌脈沖次數為正、負極性各5次，對交流電源端口，應分別對 0°、90°、180°、270°四個相位施加正、負極性各 5次的浪涌脈沖。[1]④連續脈沖間隔：60s或者更短。這里選擇60s,目的是為給內部元件提供充足的散熱時間。⑤試驗結果的評價：推薦的分類有四類，這里我們選擇b類：試驗中功能或性能可暫時喪失或降低，但在騷擾停止后能自行恢復，不需要操作者進行干預。

2.2 試驗步驟

①檢查試驗環境是否滿足國標要求，不滿足的話需要進行加濕/除濕等操作直至滿足條件，記錄試驗的環境條件（溫度、濕度、氣壓等），以提高試驗的復現性。②對EUT進行初始檢測并記錄，功能正常后按標準的試驗布置連接好EUT。③打開試驗設備，設置好試驗條件后（從±0.5kV開始進行，逐級遞增），開始試驗。④試驗過程中注意觀察并記錄受試樣品的狀態；試驗后，在不進行人為干預的情況下檢查產品功能是否正常。

2.3 試驗結果與分析

①電源口：共模±0.5kV，±1kV,±2kV,±4kV 試驗后功能正常，均滿足 B級要求；差模±0.5kV，±1kV,±2kV 試驗試驗后功能正常，滿足B級的要求。②信號端（信號通道）：±0.5kV試驗后功能正常，滿足B級要求；±1kV試驗后采集器不采數，不滿足要求。經分析為傳感器損壞，與現場情況較為相似。③信號端（網口）：±2kV，試驗后網絡不通，不滿足要求。經分析為網口芯片損壞，在現場環境較惡劣時存在因網口芯片損害而致網絡不通的隱患。

3 常用的抑制浪涌的器件介紹

壓敏電阻主要是由氧化鋅壓敏電阻片構成，每個壓敏電阻都有一定的開關電壓即壓敏電壓，當施加在壓敏電阻兩端的電壓低于該數值時，呈現高阻態，即阻值無窮大，內部幾乎無電流流過。當施加在壓敏電阻兩端的電壓高于該數值時，會迅速被擊穿導通，由高阻態瞬間變為低阻態。壓敏電阻的優點是啟動電壓范圍寬，反應快，通流容量大，無續流，壽命長。缺點為存在老化和性能不夠穩定的問題，壓敏電阻器的電容較大，影響其在高頻、超高頻領域的應用。

氣體放電管是一種間隙式的防雷保護器件，采用陶瓷或玻璃作為管子的封裝外殼，放電管內部充以性能穩定的惰性氣體。當外加電壓達到使極間場強超過氣體的絕緣強度時，兩級間的間隙將放電擊穿，并由絕緣狀態變為導電狀態。氣體放電管的放電時延較大，響應較慢，一般為μS級，對于波頭上升陡度較大的雷電波難以有效抑制[2]。

TVS管也就是瞬態電壓抑制器，是一種二極管形式的高效能保護元件。當TVS管的兩極受到反向瞬態高能量沖擊時，它能以極快的速度，瞬間將其兩極間的高阻抗變為低阻抗，吸收高達數千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值。TVS管具有動作響應快、箝位電壓低等顯著優點，適合用于多級防護電路的最末幾級防護。

通常，采用單個元件一般無法滿足要求電子產品的防雷保護，需要將幾種保護器件組合起來，構成多級防護才可滿足要求。一個完整的浪涌防護方案，需要采用三級防護：一般將氣體放電管用作第一級，壓敏電阻放做第一或第二級，而TVS管（暫態抑制二極管）用做第二或第三級防護。通過各級防護器件的配合，將幅值較高的雷電暫態過電壓限制到產品可耐受的范圍內，從而達到對電子產品的可靠保護。

4 整改措施與驗證

為加強數據采集器的防浪涌能力，經過對抑制浪涌的器件的研究，對數據采集器做出了如下的整改措施：①主板電源入口：增加600W的TVS管和防倒插二極管。②信號通道入口：增加400W的TVS管，在振動信號采集通道中增加自恢復保險絲，在溫度信號采集通道中增加限流值為20mA的限流二極管。③網絡（以太網）端口：鑒于目前產品已經定型，內部已無法增加防護，只能通過在外部增加浪涌防護器進行防護。

經過以上整改后，再次進行了雷擊浪涌抗擾度測的試。電源口、信號口均順利通過測試；網口加上浪涌防護器后也順利通過測試。此更改已應用于現場一段時間，運行良好，未再次出現類似的情況。

5 結語

經過一系列的整改，數據采集器的質量得到大幅提升，極大地緩解了現場問題，但是對于網口的問題因為產品已經定型，無法從根本上解決，只能通過在外部添加浪涌防護器來解決。這也警醒我們一定要將EMC的設計融入電子產品的設計過程中，同時也希望可以對電子產品生產企業的產品研發部和質量管理部有一定的指導意義。