由于多傳感器稱重設(shè)備大都安裝在室外，特別是數(shù)字式地磅和軌道衡等 大型衡器，其數(shù)字傳感器金屬外殼很容易引來雷電襲擊。雷擊過電壓產(chǎn)生的尖峰脈沖侵入數(shù) 字傳感器與儀表之間的連線，導(dǎo)致儀表燒壞，從而使得稱重系統(tǒng)無法正常工作。因此提高數(shù) 字傳感器儀表的防雷性能十分必要。本文圍繞地磅數(shù)字傳感器儀表的防雷設(shè)計及防雷擊測試淺談 一些筆者的經(jīng)驗，與同行探討。

一、數(shù)字傳感器廣泛應(yīng)用，稱重儀表接口電 路的雷擊防護越來越重要

數(shù)字傳感器具有可靠性高、防作弊、抗干擾 能力強和信號傳輸距離長等優(yōu)點，受到越來越多 的用戶歡迎。如圖1所示，由于大多數(shù)多傳感器稱 重設(shè)備都安裝在室外，特別是數(shù)字式地磅和軌 道衡等大型衡器，其數(shù)字式傳感器金屬外殼很容 易引來雷電襲擊。雷擊過電壓產(chǎn)生的尖峰脈沖侵 入傳感器與儀表之間的連線，使得連線上的電壓 幅值遠高于儀表的工作電壓值而導(dǎo)致儀表燒壞， 從而使得稱重系統(tǒng)無法正常工作，給企業(yè)造成巨 大的經(jīng)濟損失。可見，對數(shù)字傳感器儀表接口電 路的雷擊防護越來越顯得重要。

二、數(shù)字傳感器儀表雷擊防護的基本方法和 技術(shù)措施

2.1數(shù)字傳感器儀表感應(yīng)雷擊的特點

雷電是大氣中自然放電現(xiàn)象，雷電的破壞作 用主要由以下幾種方面引起：直擊雷：直擊雷是 雷電直接擊在建筑物上。球形雷：球形雷主要是 沿建筑物的孔洞或開著的門窗進入室內(nèi)，有的由 煙囪或通氣管道滾進樓房，一般發(fā)生的較少，只 有在一些特殊的地理環(huán)境或者特殊的基站位置上 才會有球形雷的發(fā)生。雷電感應(yīng)：感應(yīng)雷擊是由 于雷雨云的靜電感應(yīng)或放電時的電磁感應(yīng)作用， 使建筑物上的金屬物件，如管道、電線等感應(yīng)出 與雷雨云電荷相反的電荷，造成放電所引起。感 應(yīng)雷雖沒直擊雷猛烈，但發(fā)生機率卻要比直擊雷 高，且不論雷云對地閃擊或雷云間閃擊都有可能 造成災(zāi)害。此外直擊雷一次只能襲擊一個小范圍 的目標(biāo)，而感應(yīng)雷則可以在一個大范圍內(nèi)多個小 局部同時產(chǎn)生過壓現(xiàn)象。

據(jù)統(tǒng)計，雷電放電發(fā)生在雷云與地之間的特 性如下：

目前，各種大型電氣設(shè)備和高大建筑物廠 房都設(shè)有較為完善的防雷擊措施，能有效地防止雷電的直接侵害，但防感應(yīng)雷電的效果確實很 —般。由于感應(yīng)雷電防不勝防，因此本設(shè)計主要 考慮數(shù)字傳感器儀表對感應(yīng)雷擊承受能力。

在IEC- 1024標(biāo)準(zhǔn)中，把一個建筑物內(nèi)的電源 輸入線及數(shù)據(jù)線所能感應(yīng)到的最高電壓及電流分 為A-E五區(qū)，本儀表的安裝位置屬于B區(qū)。每區(qū) 的最高感應(yīng)電壓及電流又以此建筑物的所在位置 不同而分為高、中、低雷擊風(fēng)險度，不同的風(fēng)險 度有不同的感應(yīng)電壓及電流，見表2。

又根據(jù)IEC61000- 4- 5標(biāo)準(zhǔn)附錄A中的規(guī)定, 本儀表的安裝類別屬于4類。按表A1所規(guī)定的試 驗等級，4類安裝方式的浪涌電壓不超過4kV,且 電源線和數(shù)據(jù)線按同一等級試驗。

因此，本儀表數(shù)據(jù)線上的雷電感應(yīng)電壓及電 流,按表2、B區(qū)電源輸入雷電感應(yīng)規(guī)定的中度雷 擊風(fēng)險度來考核。

2.2數(shù)字傳感器儀表雷擊防護的措施 根據(jù)經(jīng)驗，本儀表將按如圖2所示方式進行雷 擊測試。雷擊發(fā)生器的一端接于數(shù)字傳感器外殼, 傳感器和儀表外殼通過屏蔽電纜可靠連接，儀表外殼再通過電纜串聯(lián)采樣電阻后接至發(fā)生器的另一個端.

對于某一過壓或過流沖擊脈沖，經(jīng)過一級保 護以后，仍會有殘余電壓流至后繼電路。若后繼 電路不能承受殘余電壓的沖擊，同樣會損壞核心 電路，因此對儀表接口電路采取多級防護措施。

2.2.1信號線上的防雷擊保護 如圖3所示，信號線上的保護為：

第一級保護：氣體放電管。由于被保護電路 能承受的最高電壓為80V,故選擇的氣體放電管 的直流起弧電壓為90± 20%,浪涌起弧電壓小于 500V dkV/U ；

第二級保護：壓敏電阻+限流電阻。由于被保 護電路正常工作時電壓為5V左右，壓敏電阻的標(biāo) 稱電壓應(yīng)大于5x 1.5=7.5V,反應(yīng)速度小于0.5ns。

當(dāng)電壓上升速率為1kV/us的浪涌波入侵時，由 于氣體放電管到達500V的起弧電壓需0.5us,因此壓 敏電阻將先起動，保護器件響應(yīng)的順序如圖4所示。

1）流過壓敏電阻浪涌電流計算：

由于浪涌波入侵的前0.5us,氣體放電管未導(dǎo) 通時，電阻大于10GQ,因此浪涌電流將全部流 入壓敏電阻，電流為：

Is=500V/(2+4.7Q )=74.6A 從圖5所示壓敏電阻的V特性曲線上可查 得，CT1206K20G可將電路電壓箝位在90V。考慮 到土 10%的誤差后，Vg=90x 0.9/1.1=73.6V

壓敏電阻上實際流過的浪涌電流為：Is= 500- 74.6 /(2+4.7)=63.5A

根據(jù)IEC61000- 4- 5要求，所選壓敏電阻必須 能承受連續(xù)的十次，幅值為63.5A、波形為8/20us 的浪涌電流沖擊。由圖6可查得：t=20us、十次沖 擊，對應(yīng)的Ugemx為69A,大于63.6A。

2）吸收能量計算：

W=74.6Vx 63.5AX 20x 10-6S=0.09J<0.7J(器件 允許的最大值）

由此可得：CT1206K20G可滿足保護電路的要求。

2.2.2電源線上的防雷擊保護 如圖7所示，電源線上的保護為：

第一級保護：壓敏電阻。由于被保護電路正 常工作時電壓為12V左右，壓敏電阻的標(biāo)稱電壓應(yīng)大于12x 1.5=18V,反應(yīng)速度小于0.5ns ;

第二級保護：瞬態(tài)抑制二極管。由于被保護 電路能承受的最高電壓為100V,故選擇擊穿電壓 為的100V的二極管，反應(yīng)速度為10kV/us。

由于電源線路的內(nèi)阻較低，加上氣體放電管 被擊穿時電阻也很低，而此時流過的浪涌電流非 常大，可能高達數(shù)kA,極易燒壞氣體放電管，因 此電源線上不宜采用氣體放電管進行保護。

當(dāng)電壓上升速率為1kV/us的浪涌波入侵時, 由于瞬態(tài)抑制二極管要達到100V的擊穿電壓需 10ns,因此壓敏電阻將先起動，保護器件響應(yīng)的順 序如圖8所示。

流過壓敏電阻的浪涌電流計算及功率計算同 信號線，略。

2.3保護器件使用的注意事項：

下面是保護器件在使用中建議的注意事項：

1）器件的擊穿電壓。擊穿電壓值選擇是至關(guān) 重要的，它關(guān)系到保護效果與使用壽命。如果擊 穿電壓高于被保護電路能承受的最大電壓，則起 不到過電壓保護作用；如果擊穿電壓過低，則保 護器件容易誤動作或被擊穿，從而影響電路的正 常工作。

2）器件的動作時間。器件的響應(yīng)時間應(yīng)快于線 路響應(yīng)時間，搶先一步將過電壓限制在安全范圍內(nèi)。

3）器件可通過的峰值電流應(yīng)滿足設(shè)計要求。 保護器件應(yīng)該對后繼電路安全可靠并具有良好的 可恢復(fù)性。如果選用的器件不能承受實際過大的 峰值電流，就會導(dǎo)致該器件的損壞，使被保護電 路不得不進入維修期。

4）器件引線對干擾抑制的影響。器件的引線 過長，因其的感抗作用，會對器件限壓有很大影 響。如氣體放電管，在其導(dǎo)電瞬間有很大的電流通過，引線越長，引線電感產(chǎn)生的附加感應(yīng)電壓 U=L di/d)就越大，因此在瞬態(tài)電流通過時，在 引線上會產(chǎn)生瞬間高壓，對被保護設(shè)備不利。

5）器件的接地。器件的接地線應(yīng)盡量短而 粗，并可靠連接，以保證瞬變過電壓產(chǎn)生的能量 被快速泄放到地，將后級電路的電壓限制在安全 范圍內(nèi)。

三、數(shù)字傳感器儀表防雷測試要求和方法 在數(shù)字式儀表設(shè)計之前，對與本產(chǎn)品相關(guān)的 測試標(biāo)準(zhǔn)進行了研究分析，以指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計和測 試，從而使產(chǎn)品具備更好的防雷性能。

3.1IEEE Std 4- 1995 :高電壓測試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) IEEE Std 4- 1995標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對試驗程序和被 試品的一般要求，試驗電壓和電流的產(chǎn)生，試驗 方法、試驗結(jié)果的處理方法，試驗是否合格的判 據(jù)和人工污穢試驗的要求。在9.1.8 “標(biāo)準(zhǔn)脈沖電 流”章節(jié)中列出了常用的脈沖電流波形，其中包 括8/20us短路電流波形。

結(jié)論：由于這個標(biāo)準(zhǔn)適用于額定電壓在1000V 以上的設(shè)備，因此本儀表不屬于此類設(shè)備，但在測 試過程中使用的設(shè)備和方法按這個標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。使用 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的8/20us短路電流波形進行測試。

3.2 IEC62305- 1 ：雷電保護——第1部分：總則 IEC62305- 1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了雷電保護的基本原則、 選擇雷電防護措施的方法及雷電防護等級（LPL。 并在附錄中提供了雷擊電流參數(shù)、用于分析目的 的雷擊電流時間參數(shù)、試驗?zāi)康挠玫睦讚綦娏鞯?/span> 模擬等參數(shù)。

在附錄E的表E.2中定義了低電壓系統(tǒng)的測 試波形和峰值：

直擊雷：10/350us 波形，S lOkVApk 感應(yīng)雷：8/20us波形，S 5kVApk 結(jié)論：IEC62305- 1標(biāo)準(zhǔn)中的一些脈沖波形和 峰值電流不適用于本儀表測試，但感應(yīng)雷：8/20us 波形，S 5kVApk適用于本表。

3.3 IEC61000-4-5 :電磁兼容——試驗與測 量技術(shù)-第五部分：浪涌抗擾度試驗

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了設(shè)備對由開關(guān)和雷電瞬變過電 壓引起的單極性浪涌沖擊的抗擾度要求、試驗方 法和推薦的試驗等級范圍，規(guī)定了幾個與試驗環(huán) 境和安裝狀態(tài)有關(guān)的試驗等級。附錄B中列出了 不同的安裝類別，附錄A介紹了用于不同安裝情 況下設(shè)備的試驗等級選擇。圖13描述了通過屏蔽 電纜連接的兩個接地設(shè)備的浪涌抗擾度試驗方法。

結(jié)論：數(shù)字傳感器儀表采用本標(biāo)準(zhǔn)中圖13所 示的連接方式測試。根據(jù)附錄A中的規(guī)定，本儀 表的安裝類別屬于4類，此類別對應(yīng)的試驗等級 為 8/20us 波形，S 4k%k。

3.4最終結(jié)論：按標(biāo)準(zhǔn)提供的要求和測試方 法對儀表進行測試。

同時參考三個標(biāo)準(zhǔn)中適用于本儀表的條例。