機井采集環境中無線終端設備的電磁兼容問題研究

關鍵詞：無線通信；電磁兼容；感應雷；浪涌保護

中圖分類號：TN87；TN929.4 文獻標識碼：A

0 引言

在機井采集環境中使用無線終端設備時，面臨3 種常見的瞬態干擾，包括靜電放電、電快速瞬變脈沖群和雷電浪涌。這些電磁現象引起的瞬變電壓會造成信號接口和主控芯片等設備的損壞，如感應雷會導致電路中產生浪涌電壓，其峰值電壓可達1 kV 甚至更高。王倩[1] 提出使用場路協同仿真方法來對電子設備信號傳輸過程中受電磁干擾問題進行研究，通過添加金屬屏蔽層，有效降低了靜電放電對信號波形的干擾。此外，從電磁干擾耦合路徑的角度，在信號總線外增加接地屏蔽層，切斷電磁干擾進入敏感設備的途徑，也是合理有效的解決方案[2]。

為確保設備的正常工作，在信號接口前添加保護電路，當浪涌現象發生時，將浪涌脈沖能量傳導至地面[3]，浪涌結束后電路恢復正常工作，不影響信號的正常傳輸。

1 浪涌保護設計與仿真

干擾源分為兩大類：自然干擾源和人為干擾源。自然干擾源主要來源于大氣層的天電噪聲和地球外的宇宙噪聲；人為干擾源是由機電或其他人工裝置產生的電磁能量干擾[4]。當機井附近發生雷擊時，產生變化強烈的電磁場[4]，使電纜和導線上產生電涌。根據法拉第電磁感應定律，電纜和導線上產生的電涌計算公式：

這些瞬變電涌通過不同的端口進入設備并且損壞設備，根據構成干擾的三要素可知[5]，在耦合路徑上將瞬變電涌引導至其他地方可以減少干擾。例如，通過接地將導線上多余的浪涌傳導至地面。在設計保護電路時需要注意以下3點：①保護電路不得干擾系統正常運行；②瞬變電涌被消除后，系統需要自動恢復正常工作，減少對系統性能的影響；③需要可靠的保護電路，以應對實際情況中發生的瞬態干擾。圖1 為π 型浪涌保護電路，在面對高電壓、大電流的浪涌時，該電路可以將其產生的瞬變能量從系統中轉移出去。保護電路分為兩級過壓保護器和一級電流保護器，三級電路相互協同應對瞬變。二級電路觸發電壓值低、功率低，可以在浪涌脈沖上升的初始階段將電壓鉗制到較低水平，當電壓繼續上升時，過流保護器斷開且一級電路導通，其觸發電壓值高、功率高，這種方式可以提升整體的電壓防護等級。π 型浪涌保護電路不僅能夠保護系統不受電磁干擾的影響，同時還能增加浪涌保護器件的使用壽命。

常用的浪涌抑制器有瞬態電壓抑制二極管（transient voltage suppressor，TVS）、氣體放電管（gas discharge tube，GDT）、金屬氧化物壓敏電阻器（metal oxide varistor，MOV）、瞬態閉鎖單元（transient blocking unit，TBU） 和高分子聚合物正溫度系數元件（polymeric positive temperaturecoefficient，PPTC）等。這些浪涌抑制器功能相似，但性能差異較大，這決定了它們不同的應用方式，浪涌抑制器件性能對比如表1 所示[6]。

在電路仿真軟件LTspice 中設計一個1.2/50 μs 的雷電浪涌組合波發生器，如圖2 所示。根據GB/T17626.5—2019 標準[7] 中對1.2/50 μs 浪涌波形的定義可知，開路電壓波前時間為1.2×（1±30%） μs，持續時間為50×（1±20%） μs，仿真的組合波符合上述定義。本文使用等效電阻（100 Ω）代替負載以便于分析，對于非屏蔽平衡線，一般使用串聯電阻和電容作為耦合網絡，浪涌沖擊通過耦合網絡連接在等效負載上。圖2b 中的曲線1 表示組合波發生器的雷電浪涌電壓波形，曲線2 表示組合波通過耦合網絡加載在負載上的雷電浪涌波形。

如圖3a 所示，保護電路使用MOV+TBU+TVS形成兩級過壓保護器+ 一級過流保護器的結構，雖然MOV 與TVS 都是電壓抑制器，但MOV 最高可承受能量為150 J，能夠應對1.2/50 μs 的浪涌脈沖。相較于TVS，MOV 的觸發電壓較高，電壓值為18 ～1 800 V，因此在電壓上升的初期，仍然需要TVS進行抑制。如圖3b 所示，曲線V1 表示浪涌電壓值，曲線IR5 表示MOV 電流值，曲線VR4 表示負載電壓值。根據仿真結果可知，當浪涌施加于保護電路時，TVS 能夠在極短的時間內導通，并將電壓鉗制到較低水平，通過低阻抗的接地路徑來保護電路。而當電流過大時，TBU 斷開，通過MOV 將大部分瞬變能量從系統和其他保護器件轉移到地。MOV 的放電電流和保護電路均隨著MOV 封裝尺寸的增大而增大，相同體積下，GDT 的過電流能力是MOV 的4 ～ 5 倍，最大電流可以達到10 kA，因此在保證體積不變的情況下可以使用GDT 來應對更高等級浪涌的沖擊。

如圖4 所示，將MOV 換成GDT 來應對更高等級的浪涌，觸發電壓范圍為75 ～ 3 600 V，圖4b中曲線V1 表示浪涌電壓值，曲線IR4 表示負載電流值，曲線IR6 表示GDT 電流值。當電壓增大到GDT 的火花放電電壓時，放電管中的氣體由于產生的電荷開始電離，GDT 從高阻態模式切換到電弧模式，提供瞬態開路電流接地路徑，將瞬態電流從受保護器件上轉移開，從而對后級電路和負載起到有效的保護作用。

仿真結果顯示，過流保護器TBU 相當于開關，在浪涌電壓上升過程中可以實現從低功率的TVS切換到高功率的MOV 和GDT，這既可以有效保護敏感設備，又提高了浪涌保護器件使用壽命。

2 浪涌保護電路功能性測試

為了進行功能性測試，將負載設置為光耦，使用艾德克斯電子（南京）有限公司（ITECH）的ITM7722 可編程電源輸出一個220 V 的脈沖信號，測試該電路在施加了220 V 脈沖信號后光耦是否可以正常工作。IT-M7722 可編程電源的時間精度最小為1 ms，MOV+TBU+TVS 保護電路波形圖和GDT+TBU+TVS 保護電路波形圖分別如圖5 和圖6所示。

圖5 中CH1 表示脈沖電壓值，CH2表示被保護側R4 的電壓值，CH3表示與MOV串聯的R6的電壓值。根據圖5 可知，在電壓上升初期先由TVS+TBU進行防護；當電流過大時，TBU 截止然后由MOV 進行導通，測試結果與仿真結果一致，并且光耦正常未損壞，MOV+TBU+TVS保護電路通過了功能性測試。

圖6中CH1表示脈沖電壓值，CH2表示與GDT串聯的R6 的電壓值，CH3表示被保護側R4的電壓值。測試結果與仿真結果一致，并且光耦正常未損壞，GDT+TBU+TVS保護電路通過了功能性測試。

3結論

在機井采集環境中，無線通信設備主要受雷電浪涌的影響且其危害較大，如果不在設計周期開始時就考慮電磁兼容性（electro magneticcompatibility，EMC）問題，則可能導致設備的性能下降，增加后期維護成本，影響設備的投入使用。通過仿真分析發現，單一的保護器件防浪涌水平低，π 型浪涌保護電路不僅能夠應對更高等級的浪涌，還可以延長浪涌抑制器件的使用壽命，有效提升機井采集系統的抗干擾能力，該電路的實現對設計瞬變保護電路具有一定的參考意義。