0引言

傳感器作為一種重要的檢測儀器,在軌道車輛上大量應(yīng)用,傳感器可靠性是軌道車輛安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證。在實(shí)際應(yīng)用中,傳感器遭受來自環(huán)境和電路的浪涌干擾的問題時有發(fā)生且不可預(yù)測,易導(dǎo)致傳感器輸出信號穩(wěn)定性和精度降低,進(jìn)而引起系統(tǒng)監(jiān)測狀態(tài)異常或控制異常。更糟糕的情況是,因浪涌干擾能量密度大,傳感器直接損壞,從而造成系統(tǒng)故障,帶來損失或造成安全隱患。因此,在軌道交通領(lǐng)域,傳感器應(yīng)通過浪涌抗擾度試驗(yàn)已經(jīng)是基本要求。

1傳感器浪涌干擾的特點(diǎn)

傳感器浪涌干擾是指由于電路中的電感、電容等元器件和電路本身的自感和互感作用,當(dāng)附近發(fā)生雷電,在系統(tǒng)的電源線上產(chǎn)生干擾時,產(chǎn)生瞬間的高幅值電壓或電流,又在傳感器供電線上感應(yīng)產(chǎn)生短暫的、高幅值的電壓或電流干擾。浪涌干擾具有以下特點(diǎn):

1)短暫性:傳感器浪涌干擾作用時間很短,一個浪涌脈沖一般在幾十微秒級別。

2)高峰值:傳感器浪涌干擾的峰值可達(dá)幾千伏甚至更高。

3)低頻率:浪涌波形的上升沿不是很陡,不含有很高的頻率。

4)高能量:試驗(yàn)的短路電流可達(dá)上千安。

傳感器浪涌干擾具有短暫性、高峰值等特點(diǎn),容易對傳感器輸出信號造成干擾和破壞,從而損壞傳感器的功能或降低傳感器的穩(wěn)定性和精度。

2傳感器浪涌抗擾度試驗(yàn)要求分析

傳感器浪涌抗擾度通過浪涌抗擾度試驗(yàn)來驗(yàn)證,試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)按GB/T17626.5—2019《電磁兼容 試驗(yàn)和測量技術(shù) 浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)》^[1]執(zhí)行。連接到電源線和短距離信號互連線的端口適應(yīng)的浪涌試驗(yàn)波形如圖1、圖2所示。

圖1是浪涌發(fā)生器的輸出端開路狀態(tài)時的電壓波形,圖2是浪涌發(fā)生器的輸出短路時的電流波形。電壓波形適用于檢驗(yàn)受試設(shè)備的電源線和信號線與外殼之間的絕緣程度,也就是本文后面提到的線對地浪涌;電流波形適用于檢驗(yàn)受試設(shè)備電纜入口處的浪涌防護(hù)器件對浪涌的承受能力,就是本文后面提到的線對線浪涌。

下面以1.2/50μS電壓波形為例進(jìn)行波形分析。對于1.2/50 μS波形,其函數(shù)描述^[2]為:

式中:V(t)為雷電電壓;Vp為電壓峰值;波形系數(shù)包括補(bǔ)償系數(shù)K、波前系數(shù)T1、波長系數(shù)T2,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中己給出。

對公式(1)進(jìn)行傅里葉變換,得出幅值頻譜:

式中:V(w)為頻譜電壓幅值;α為第一拐點(diǎn)角速度,β為第二拐點(diǎn)角速度,α=1/T2,β=1/T1+1/T2,w為角頻率。

當(dāng)w=0時,電壓幅值為:

幅值頻譜的第一拐點(diǎn)和第二拐點(diǎn)頻率為:

第一拐點(diǎn)頻率由波長系數(shù)決定,第二拐點(diǎn)頻率由波前系數(shù)決定(1.2/50 μS波形的波長系數(shù)為68.22 μS、波前系數(shù)為0.404 7μS,兩者相差100倍以上)。

浪涌脈沖的上升時間在1μS以上,時間較長,脈寬較寬,幅值頻譜表明浪涌呈現(xiàn)低頻特性,第二拐點(diǎn)以下的低頻能量占比約99%,對電路的干擾以傳導(dǎo)為主。干擾影響主要體現(xiàn)在過高的差模電壓幅度導(dǎo)致輸入器件擊穿損壞,或過高的共模電壓導(dǎo)致線路與地之間的絕緣擊穿。因器件擊穿后阻抗很低,浪涌發(fā)生器產(chǎn)生的大電流隨之使器件過熱損壞。

浪涌要求,對于安裝于軌道車輛轉(zhuǎn)向架牽引電機(jī)附近的傳感器,按GB/T17626.5—2019^[1] 附錄C安裝類別為4類:互連線按戶外電纜沿電源電纜敷設(shè),并且這些電纜被作為電子和電氣線路的電氣環(huán)境,浪涌電壓不超過4 kV,按試驗(yàn)等級4,即開路試驗(yàn)電壓線對線為2 kV、線對地為4 kV;1.2/50μS組合波發(fā)生器,有效輸出阻抗為2 Ω。試驗(yàn)方法:按GB/T17626.5—2019^[1]從試驗(yàn)等級中較低等級開始進(jìn)行,直到規(guī)定的試驗(yàn)等級,施加在直流電源端和互連線上的浪涌脈沖次數(shù)為正、負(fù)極性各5次,連續(xù)脈沖間的間隔不超過1 min。這個試驗(yàn)方法很重要,是浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)容易忽視的問題,容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)上似乎沒問題,試驗(yàn)時卻通不過。

3滿足浪涌抗擾度要求應(yīng)采取的措施

根據(jù)浪涌脈沖的低頻特點(diǎn),采用限幅、泄放能量的浪涌抑制器件來抑制浪涌低頻能量,而高頻成分的干擾,通過電路設(shè)計(jì)優(yōu)化、線路布局優(yōu)化、接地方式優(yōu)化、屏蔽技術(shù)、濾波技術(shù)等解決。本文主要分析低頻干擾部分的應(yīng)對措施。

很多傳感器本身結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸較小,無法安裝尺寸相對較大的專用浪涌抑制部件,因此如何在傳感器小空間內(nèi)有效防范浪涌干擾己經(jīng)成為當(dāng)下的一個難題。線對地電壓浪涌可以通過增加傳感器的絕緣防護(hù)來解決,本文討論線對線電流浪涌的防護(hù)方法。

按常規(guī)方法,通過在傳感器電路入口處布置浪涌抑制器件對電壓進(jìn)行鉗位,打開電流通道泄放浪涌能量,從而保護(hù)傳感器后級電路。常用的浪涌抑制器件有氣體放電管、壓敏電阻、瞬態(tài)電壓抑制管(簡稱TVS)^[3]等。實(shí)際應(yīng)用中,壓敏電阻的鉗位因子(鉗位電壓與擊穿電壓之比)太高,鉗位電壓普遍過高,無法保護(hù)后級電路;氣體放電管擊穿電壓偏高,響應(yīng)時間長,擊穿保持電壓過低,后級電路無法正常工作。因此,本文討論采用TVS進(jìn)行傳感器浪涌防護(hù)的情況, 目前大容量的貼片型TVS產(chǎn)品,結(jié)構(gòu)緊湊,技術(shù)成熟。

傳感器要求在直流12~24 V電源下能正常工作,傳感器內(nèi)部電路元件正常使用電壓的絕對最大額定值為40V。選用TVS時,幾個關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)該關(guān)注,選擇不當(dāng),均可能導(dǎo)致傳感器的浪涌防護(hù)性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。首先,TVS的觸發(fā)(擊穿)電壓VBR和反向關(guān)斷電壓VR須高于24 V,以保證在電源電壓最大至24 V時,浪涌防護(hù)器件處于高阻狀態(tài),電路能正常工作;而當(dāng)發(fā)生浪涌,TVS擊穿,觸發(fā)浪涌電流泄放時,最大鉗位電壓不能超過后級器件的最大額定值40 V,否則多次浪涌波峰過后,電路中電源最大額定值不到40 V的器件會因?yàn)槔擞糠雷o(hù)鉗位電壓過高而發(fā)生損壞;浪涌峰值電流不應(yīng)超過TVS的最大峰值脈沖電流IPPM,否則TVS器件將過熱燒毀。另外,應(yīng)注意TVS的結(jié)電容,高頻電路應(yīng)考慮其影響。

按GB/T17626.5—2019[1],傳感器工作電壓為24 V,在直流60 V以內(nèi),傳感器端口歸為互連線,傳感器采用屏蔽電纜,單端接地,非對稱線,浪涌耦合配置選擇GB/T17626.5—2019^[1] 中的“圖9”,如圖3所示。

圖中CD按GB/T17626.5—2019的“表8”^[1]選擇GDT(氣體放電管),傳感器的頻率特性不重要時可選用0.5μF電容?？梢钥吹今詈贤返目傠娮铻?2 Ω(含信號發(fā)生器內(nèi)阻2Ω),可知浪涌峰值脈沖電流IPPM不超過47.62 A(2 kV/42 Ω,未考慮TVS的鉗位電壓和GDT擊穿后維持電壓),這樣可以選擇峰值脈沖功耗PPPM為3kW的3.0SMCJ26CA雙向型TVS,參數(shù)如下:擊穿電壓VBR為28.9~31.9 V,反向關(guān)斷電壓VR為26 V,最大峰值脈沖電流IPPM為71.3 A,鉗位電壓VC (最大峰值電流時)為42.1 V,因?yàn)槔擞侩娏鞑怀^47.62 A,遠(yuǎn)低于71.3 A,鉗位電壓不會超過40 V。這里需要注意的是,以上是常溫參數(shù)。不同的溫度下, TVS關(guān)鍵參數(shù)—峰值脈沖功率與結(jié)溫的關(guān)系曲線如圖4所示。這是器件選型時容易忽視的一個重要參數(shù)。

從前面所述浪涌試驗(yàn)方法可知,試驗(yàn)過程中,傳感器線—線防浪涌TVS會經(jīng)受從500 V、1 kV到2 kV共30次浪涌脈沖,如果浪涌脈沖時間間隔過短,電路散熱情況不好,TVS的結(jié)溫會急劇升高。從圖4中可看出,從25℃開始,溫度每升高25℃,峰值脈沖功率衰減掉額定值的10%左右。到結(jié)溫150℃時,峰值功率會衰減至常溫的50%左右，對于常溫峰值脈沖功耗3 kW的3.0 SMCJ26CA，結(jié)溫150℃時，峰值脈沖功耗會降至1.5 kW，鉗位電壓不變的情況下，最大峰值脈沖電流，PPM減至35.7A左右，小于試驗(yàn)峰值浪涌電流，這時會發(fā)現(xiàn)，特殊情況下，3 kW的TVS存在容量不足的問題，這是在進(jìn)行防浪涌設(shè)計(jì)選型時容易忽略的一個細(xì)節(jié)。因此,考慮到試驗(yàn)方法以及傳感器實(shí)際運(yùn)用的環(huán)境溫度可能較高,TVS易處于高溫狀態(tài),需要選用更高容量的PPPM為5 kW的5.0SMCJ26CA雙向型TVS,參數(shù)如下:擊穿電壓VBR為28.9~31.9V,反向關(guān)斷電壓VR為26V,最大峰值脈沖電流IPPM為892.5 A(8/20μS脈沖電流),鉗位電壓VC(最大峰值電流時)為54.4 V,實(shí)際鉗位電壓與之前相同,不會超過40 V。這樣即使結(jié)溫達(dá)150℃ ,也可滿足浪涌要求。試驗(yàn)證明,使用峰值功率3 kW的TVS時,到2 kV浪涌脈沖等級時,傳感器出現(xiàn)功能異常故障(TVS擊毀,繼而電路擊毀),而使用5 kW的器件時,試驗(yàn)?zāi)茼樌ㄟ^。

4 結(jié)論

TVS的適當(dāng)選型,能較好地解決小空間低電源電壓傳感器的浪涌防護(hù)問題,選型應(yīng)遵循的主要原則如下:

擊穿電壓VBR和反向關(guān)斷電壓VR應(yīng)高于傳感器的工作電壓,實(shí)際鉗位電壓VC應(yīng)低于后級元件的最高耐受電壓。

2)基于浪涌的試驗(yàn)方法,選型應(yīng)考慮多次浪涌沖擊后結(jié)溫升高器件性能降級的因素,合理選擇器件的峰值脈沖功率容量。

隨著科技發(fā)展日新月異,傳感器產(chǎn)品越來越廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)裝備和生活用品中,為了保證產(chǎn)品的安全性、可靠性,傳感器浪涌抗擾度研究成為當(dāng)前傳感器研究的熱點(diǎn)之一。通過對傳感器浪涌干擾的特點(diǎn)分析和測量,研究抗干擾技術(shù),進(jìn)行仿真模擬和試驗(yàn)研究,制定和完善傳感器浪涌抗擾度標(biāo)準(zhǔn),不斷提高傳感器的可靠性和穩(wěn)定性,可為傳感器在各個領(lǐng)域的可靠應(yīng)用提供保障。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 翟毅濤,吳峻,曾曉榮.中低速磁浮列車傳感器防浪涌設(shè)計(jì)及改進(jìn)[J].國防科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,38(1):181-184.

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《機(jī)電信息》2025年第14期第9篇