王石成，周 杰 ，劉 俊

（1.南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局氣溶膠云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，南京210044；2.泰州市氣象局，江蘇 泰州225300）

氣體放電管中的殘留電荷對(duì)殘壓的影響

王石成1，2，周 杰1，劉 俊2

（1.南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局氣溶膠云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，南京210044；2.泰州市氣象局，江蘇 泰州225300）

研究溫度傳感器接口的抗雷電沖擊能力以及氣體放電管內(nèi)的殘留電荷對(duì)4～20 mA溫度傳感器殘壓的影響。發(fā)現(xiàn)：幅值為50 V的脈沖電壓即可導(dǎo)致溫度傳感器接口損壞，說(shuō)明溫度傳感器接口不具備抗雷電浪涌能力；氣體放電管內(nèi)的殘留電荷，使氣體放電管的殘壓有逐漸減小的趨勢(shì)；隨著沖擊電壓的增加，同一沖擊電壓下多次沖擊后，氣體放電管的殘壓值逐漸穩(wěn)定。

溫度傳感器；雷電浪涌；浪涌保護(hù)器；殘留電荷；殘壓

0 引言

溫度傳感器被廣泛應(yīng)用于石油鉆井平臺(tái)，但由于暴露在室外，很容易遭受雷電浪涌的干擾，通常在傳感器前安裝信號(hào)類浪涌保護(hù)器 (氣體放電管與TVS管并聯(lián)）進(jìn)行防護(hù)。

工業(yè)上普通使用的溫度傳感器的輸出值都是4～20 mA，采用電流信號(hào)的原因是：1）不容易受干擾；2）電流源內(nèi)阻無(wú)窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。上限取20 mA，是由于20 mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯，符合防爆的要求。下限沒(méi)有取0 mA的原因是為了能檢測(cè)斷線。

氣體放電管的殘留電荷容易導(dǎo)致殘壓不穩(wěn)定，先前已經(jīng)有關(guān)于氣體放電管殘留電荷的研究：文獻(xiàn)[1－4]認(rèn)為氣體放電管在經(jīng)受大電流沖擊之后，極易在電極處積聚殘留電荷。文獻(xiàn)[5－7]認(rèn)為施加在氣體放電管上的沖擊次數(shù)對(duì)積聚電荷有顯著影響，隨著沖擊次數(shù)增加，殘留電荷趨于穩(wěn)定。目前的研究主要停留在積聚電荷的產(chǎn)生與消散機(jī)理以及氣體放電管的擊穿電壓值上，并沒(méi)有研究殘留電荷對(duì)殘壓的影響，因?yàn)闅垑鹤鳛橹苯邮┘釉诒槐Ｗo(hù)設(shè)備上的電壓是浪涌保護(hù)器防護(hù)能力的重要指標(biāo)，所以展開(kāi)殘留電荷對(duì)殘壓的影響的研究有比較實(shí)際的意義。

1 試驗(yàn)方案和分析

1.1 試驗(yàn)樣品及測(cè)試方法

被試品是某品牌溫度傳感器（24DC供電，4～20mA信號(hào)輸出），傳感器末端接熱電偶。通過(guò)耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)按線對(duì)線的方式加入浪涌干擾信號(hào)，嚴(yán)酷等級(jí)從0.5 kV、1 kV、1.5 kV、4 kV、6 kV、10 kV 逐漸施加雷電電壓（如表1所示），正、負(fù)極各施加5次，每?jī)纱卧囼?yàn)間隔至少3分鐘[8－9]。每輪試驗(yàn)結(jié)束后，先將熱電偶接入一個(gè)新的溫度傳感器中，以驗(yàn)證熱電偶沒(méi)有損壞，再將實(shí)驗(yàn)采用的傳感器與熱電偶接入24DC電路中，并串連入一個(gè)電流表。給熱電偶不斷加熱，[U7]觀察電流表的示數(shù)變化，從而判斷傳感器是否發(fā)生損壞。

圖1 電路原理圖Fig.1 The circuit principle diagram

對(duì)接口的正、負(fù)極多次施加1.2/50開(kāi)路電壓波[10]，1.2/50 μs開(kāi)路電壓波形如圖2所示，產(chǎn)生1.2/50 μs開(kāi)路電壓波形的發(fā)生器結(jié)構(gòu)的電路原理圖如圖3所示。

圖2 1.2/50電壓波Fig.2 1.2/50 voltage wave

圖3 1.2/50 μs電壓波發(fā)生器的電路原理圖Fig.3 Circuit principle diagram of 1.2/50 μs voltage wave generator

圖中U為高壓源，Rc為充電電阻，Cc為儲(chǔ)能電容Rs1、Rs2為脈沖持續(xù)時(shí)間形成電阻，Rm為阻抗匹配電阻，Lr為上升時(shí)間形成電感。選擇不同元件Rs1、Rs2、Rm、Lr和 Cc，可形成 1.2/50 開(kāi)路電壓波。

浪涌保護(hù)器由氣體放電管，退耦電阻、橋電路、以及TVS管組成，電路實(shí)物圖與原理圖分別如圖4、5所示。該電路其中氣體放電管直流放電電壓為90V，退耦電阻為2.2 Ω，TVS管的Vc為33 V。在傳感器的信號(hào)線采用直接耦合的電路中，信號(hào)線間施加幅值為50V的1.2/50波形，示波器的波形如圖6和圖7所示。

圖4 浪涌保護(hù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Internal structure of surge protective device

圖5 浪涌保護(hù)器原理圖Fig.5 Principle diagram of surge protector

傳感器接口沒(méi)有安裝浪涌保護(hù)器之前，施加幅值為50 V的1.2/50電壓波形，分壓器的分壓比為1.25，其殘壓波形如圖6所示。

圖6 幅值為50 V的1.2/50電壓波形沖擊時(shí)的殘壓波形圖Fig.6 the residual voltage waveform of 1.2/50 voltage waveform with amplitude of 50 V

傳感器接口在沒(méi)有安裝浪涌保護(hù)器時(shí)經(jīng)受了幅值為50 V的1.2/50電壓波形的沖擊后，對(duì)溫度傳感器進(jìn)行加熱，不管加熱多久，流過(guò)傳感器接口的電流始終為0 mA并維持不變，說(shuō)明溫度傳感器接口電路沒(méi)有經(jīng)受住50 V的1.2/50電壓波形沖擊，發(fā)生了損壞，說(shuō)明傳感器接口幾乎不具備抗浪涌能力。安裝上浪涌保護(hù)器之后，施加1.2/50電壓波形，圖7為幅值6 kV的電壓波形。

圖7 電壓幅值為6 kV的殘壓波形Fig.7 The residual voltage of 6 kV

溫度傳感器接口在安裝上了浪涌保護(hù)器之后，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室從0.5～10 kV所有幅值的1.2/50開(kāi)路電壓波的沖擊后，測(cè)得的殘壓值如表1和表2所示，由于本文只探討殘壓值，沒(méi)有測(cè)量電流值。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析

溫度傳感器兩端在不同沖擊電壓下的殘壓值如表1和表2所示

根據(jù)表1和標(biāo)2的數(shù)據(jù)分別畫(huà)出溫度傳感器接口兩端殘壓隨沖擊電壓變化的趨勢(shì)，圖8是線線間殘壓趨勢(shì)，圖9是線地間殘壓趨勢(shì)。

圖8右上角的數(shù)字1－10分別代表同一充電電壓下的10次沖擊（正負(fù)各5次），由圖中可以看出同一沖擊電壓下，傳感器的殘壓呈下降趨勢(shì)，隨著沖擊電壓的增加，同一沖擊電壓下的10次殘壓相對(duì)緊密一點(diǎn)。

表1 線-線間殘壓Table 1 Line-line residual voltage V

表2 線-地間殘壓Table 2 Line-ground residual voltage V

圖8 傳感器接口線－線間殘壓隨沖擊電壓變化趨勢(shì)Fig.8 The change trend of the residual voltage between the line－line with the impulse voltage

圖9中可以分析出：同一沖擊電壓下，傳感器的10次殘壓呈下降趨勢(shì)，當(dāng)沖擊電壓為0.5 kV時(shí)，其10次沖擊殘壓分布得很分散，但隨著沖擊電壓及沖擊次數(shù)的增加，同一沖擊電壓下的10次殘壓變得相對(duì)緊密起來(lái)。

圖9 傳感器接口線－地間殘壓隨沖擊電壓變化趨勢(shì)Fig.9 The change tendency of the interface between line－ground residual voltage with the impulse voltage

2 氣體放電管輝光放電原理分析

綜合圖8和圖9分析可知，隨著沖擊電壓幅值的升高，傳感器接口的殘壓也升高，并且同一個(gè)沖擊電壓幅值下，傳感器殘壓隨著沖擊次數(shù)的增加而下降，這是因?yàn)闅怏w放電管殘留的電荷降低了氣體放電管的啟動(dòng)電壓，從而降低了殘壓。多次沖擊帶來(lái)的電荷積累對(duì)放電管輝光放電產(chǎn)生了促進(jìn)的作用，經(jīng)過(guò)多次 1.2/50開(kāi)路電壓波沖擊，放電管在沒(méi)有明顯損壞的情況下，隨著沖擊次數(shù)的增加，放電管殘留電荷逐漸增加，放電管內(nèi)電子獲得更多電場(chǎng)能量，從電極開(kāi)始電離[11]，增強(qiáng)電子碰撞電離和二次電離能力[12－13]，促進(jìn)氣體放電管內(nèi)部的輝光放電過(guò)程，導(dǎo)致沖擊放電電壓值有逐漸減小的趨勢(shì)。隨著沖擊電壓的增加，并且殘留電荷隨著沖擊電壓的增加而增加，導(dǎo)致氣體放電管中氣體因?yàn)殡婋x而需要吸收的能量減小從而導(dǎo)致殘壓也隨著沖擊電壓的增加而增加[14]，同一沖擊電壓下的10次殘壓值逐漸變得穩(wěn)定，是因?yàn)閮?nèi)部電荷積累到一定程度后，使氣體放電管的輝光放電過(guò)程逐漸穩(wěn)定，從而使殘壓穩(wěn)定。

氣體放電管殘留電荷積累主要是因?yàn)榉烹姽茈姌O、空氣和瓷殼交界處易產(chǎn)生殘留電荷，沖擊電壓下產(chǎn)生的大量電荷通過(guò)電子漂移附著在氧化鋁瓷殼上引起電荷積聚。

線－線間的殘壓也要明顯高于線－地之間，這是由于線－線間安裝保護(hù)器的目的是用于線間箝壓限位，沒(méi)有接地，雷電浪涌能量只是平均分布到了兩線之間，并沒(méi)有通過(guò)接地得到釋放。而線－地之間的雷電浪涌通過(guò)接地得到釋放，所以線－線間的殘壓要高于線－地之間的殘壓。

3 結(jié) 論

1）氣體放電管經(jīng)過(guò)多次高電壓脈沖沖擊后，氣體放電管內(nèi)部開(kāi)始積聚電荷，積聚電荷推動(dòng)了放電管輝光放電過(guò)程，對(duì)沖擊放電電壓產(chǎn)生影響，導(dǎo)致氣體放電管的擊穿電壓有減小的趨勢(shì)。

2）傳感器轉(zhuǎn)換接口內(nèi)部存在電路結(jié)構(gòu)，安裝浪涌保護(hù)器之前，對(duì)電壓幅值為50 V的雷電浪涌尚不具備抗干擾能力，傳感器接口幾乎不具備抗雷電浪涌干擾能力，另外由于溫度傳感器接口被廣泛應(yīng)用于石油鉆井平臺(tái)極易遭受雷電感應(yīng)電壓侵襲，所以為了避免造成損害事故，建議在溫度傳感器接口前安裝浪涌保護(hù)器。

3）氣體放電管隨著沖擊次數(shù)的增加，電荷積聚到一定量之后逐漸穩(wěn)定，其擊穿電壓變化趨勢(shì)趨于平穩(wěn)，所以氣體放電管在出廠時(shí)需要先接受一定次數(shù)的高電壓沖擊，使其內(nèi)部電氣特性趨于穩(wěn)定。

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Analysis the Influence of Residual Charges in Gas Discharge Tubes on Residual Voltage

WANG Shicheng1,2，ZHOU Jie1，LIU Jun2
（1.Nanjing University of Information Science and Technology，Key Laboratory for Aerosol－Cloud－Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing 210044，China；2.Taizhou Meteorological Bureau，Taizhou 225300，China）

The study on the effect of lightning impulse resistant ability for temperature sensor interface and the residual charge of gas discharge tube on 4～20 mA temperature sensor residual voltage and found：amplitude of 50 V pulsed voltage can lead to temperature sensor interface damage，indicating that the temperature sensor interface does not have anti lightning surge capacity；the residual charge of gas discharge tube makes the gas discharge tube has a gradually decreasing trend；with increase of impulse voltage.After repeated impact under the same impulse voltage，along with the increase of impulse voltage，the residual voltage value of the gas discharge tube gradually stabilized.

temperature sensor；lightning surge；surge protector；residual charge；residual voltage

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.010

2016－02－18

王石成（1988—），男，碩士，從事雷電防護(hù)。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：41175003）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 “973計(jì)劃”資助項(xiàng)目（編號(hào)：2014CB441405）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（編號(hào)：PAPD）。