王石成，周 杰 ，劉 俊

（1.南京信息工程大學中國氣象局氣溶膠云降水重點開放實驗室，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.南京信息工程大學中國氣象局氣溶膠云降水重點開放實驗室，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的殘留電荷對4～20 mA溫度傳感器殘壓的影響。發(fā)現：幅值為50 V的脈沖電壓即可導致溫度傳感器接口損壞，說明溫度傳感器接口不具備抗雷電浪涌能力；氣體放電管內的殘留電荷，使氣體放電管的殘壓有逐漸減小的趨勢；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；浪涌保護器；殘留電荷；殘壓

0 引言

溫度傳感器被廣泛應用于石油鉆井平臺，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類浪涌保護器 (氣體放電管與TVS管并聯）進行防護。

工業(yè)上普通使用的溫度傳感器的輸出值都是4～20 mA，采用電流信號的原因是：1）不容易受干擾；2）電流源內阻無窮大，導線電阻串聯在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數百米。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。下限沒有取0 mA的原因是為了能檢測斷線。

氣體放電管的殘留電荷容易導致殘壓不穩(wěn)定，先前已經有關于氣體放電管殘留電荷的研究：文獻[1－4]認為氣體放電管在經受大電流沖擊之后，極易在電極處積聚殘留電荷。文獻[5－7]認為施加在氣體放電管上的沖擊次數對積聚電荷有顯著影響，隨著沖擊次數增加，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生與消散機理以及氣體放電管的擊穿電壓值上，并沒有研究殘留電荷對殘壓的影響，因為殘壓作為直接施加在被保護設備上的電壓是浪涌保護器防護能力的重要指標，所以展開殘留電荷對殘壓的影響的研究有比較實際的意義。

1 試驗方案和分析

1.1 試驗樣品及測試方法

被試品是某品牌溫度傳感器（24DC供電，4～20mA信號輸出），傳感器末端接熱電偶。通過耦合/去耦網絡按線對線的方式加入浪涌干擾信號，嚴酷等級從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、負極各施加5次，每兩次試驗間隔至少3分鐘[8－9]。每輪試驗結束后，先將熱電偶接入一個新的溫度傳感器中，以驗證熱電偶沒有損壞，再將實驗采用的傳感器與熱電偶接入24DC電路中，并串連入一個電流表。給熱電偶不斷加熱，[U7]觀察電流表的示數變化，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

對接口的正、負極多次施加1.2/50開路電壓波[10]，1.2/50 μs開路電壓波形如圖2所示，產生1.2/50 μs開路電壓波形的發(fā)生器結構的電路原理圖如圖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為儲能電容Rs1、Rs2為脈沖持續(xù)時間形成電阻，Rm為阻抗匹配電阻，Lr為上升時間形成電感。選擇不同元件Rs1、Rs2、Rm、Lr和 Cc，可形成 1.2/50 開路電壓波。

浪涌保護器由氣體放電管，退耦電阻、橋電路、以及TVS管組成，電路實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。在傳感器的信號線采用直接耦合的電路中，信號線間施加幅值為50V的1.2/50波形，示波器的波形如圖6和圖7所示。

圖4 浪涌保護器內部結構圖Fig.4 Internal structure of surge protective device

圖5 浪涌保護器原理圖Fig.5 Principle diagram of surge protector

傳感器接口沒有安裝浪涌保護器之前，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

傳感器接口在沒有安裝浪涌保護器時經受了幅值為50 V的1.2/50電壓波形的沖擊后，對溫度傳感器進行加熱，不管加熱多久，流過傳感器接口的電流始終為0 mA并維持不變，說明溫度傳感器接口電路沒有經受住50 V的1.2/50電壓波形沖擊，發(fā)生了損壞，說明傳感器接口幾乎不具備抗浪涌能力。安裝上浪涌保護器之后，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器之后，經過實驗室從0.5～10 kV所有幅值的1.2/50開路電壓波的沖擊后，測得的殘壓值如表1和表2所示，由于本文只探討殘壓值，沒有測量電流值。

1.2 試驗過程及數據分析

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

根據表1和標2的數據分別畫出溫度傳感器接口兩端殘壓隨沖擊電壓變化的趨勢，圖8是線線間殘壓趨勢，圖9是線地間殘壓趨勢。

圖8右上角的數字1－10分別代表同一充電電壓下的10次沖擊（正負各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，隨著沖擊電壓的增加，同一沖擊電壓下的10次殘壓相對緊密一點。

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，當沖擊電壓為0.5 kV時，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的增加，同一沖擊電壓下的10次殘壓變得相對緊密起來。

圖9 傳感器接口線－地間殘壓隨沖擊電壓變化趨勢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，并且同一個沖擊電壓幅值下，傳感器殘壓隨著沖擊次數的增加而下降，這是因為氣體放電管殘留的電荷降低了氣體放電管的啟動電壓，從而降低了殘壓。多次沖擊帶來的電荷積累對放電管輝光放電產生了促進的作用，經過多次 1.2/50開路電壓波沖擊，放電管在沒有明顯損壞的情況下，隨著沖擊次數的增加，放電管殘留電荷逐漸增加，放電管內電子獲得更多電場能量，從電極開始電離[11]，增強電子碰撞電離和二次電離能力[12－13]，促進氣體放電管內部的輝光放電過程，導致沖擊放電電壓值有逐漸減小的趨勢。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，導致氣體放電管中氣體因為電離而需要吸收的能量減小從而導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，是因為內部電荷積累到一定程度后，使氣體放電管的輝光放電過程逐漸穩(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為放電管電極、空氣和瓷殼交界處易產生殘留電荷，沖擊電壓下產生的大量電荷通過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－線間安裝保護器的目的是用于線間箝壓限位，沒有接地，雷電浪涌能量只是平均分布到了兩線之間，并沒有通過接地得到釋放。而線－地之間的雷電浪涌通過接地得到釋放，所以線－線間的殘壓要高于線－地之間的殘壓。

3 結 論

1）氣體放電管經過多次高電壓脈沖沖擊后，氣體放電管內部開始積聚電荷，積聚電荷推動了放電管輝光放電過程，對沖擊放電電壓產生影響，導致氣體放電管的擊穿電壓有減小的趨勢。

2）傳感器轉換接口內部存在電路結構，安裝浪涌保護器之前，對電壓幅值為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用于石油鉆井平臺極易遭受雷電感應電壓侵襲，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器。

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

[1]朱志平，馬曉，荊玲玲，等.變電站上壤腐蝕性評價及接地網金屬腐蝕特性分析[J].電瓷避需器，2009（4）：18－26.ZHU Zhipin，MA Xiao，JING Linlin et al.Soil Corrosion evaluation of substation and metal corrosion characteristics analysis for grounding grid[J].Insulators and Surge Arresters，2009（4 ）：18－26.

[2]萬欣，李景祿.接地裝置的腐蝕及防腐蝕措施的研究[J].電瓷避需器，2006（4）：37－40.MA Xin，LI Jinglu.Analysis on corrosion and anti－corrolion measure of the grounding device[J].Insulators and-Surge Arresters，2006（4）：37－40.

[3]陳坤漢，楊道武，朱志平，等.接地網在上壤中的腐蝕特性研究[J].電瓷避需器，2008（4）：39－42.CHEN Kunhan，YANG Daowu，ZHU Zhipin，et al.Corrosion characteristic of grounding grid in soil[J].Insulators and Sure Arresters，2008（4 ）：39－42.

[4]章小鴿，邢安慶.鍍鋅鋼的電偶作用一基木理論和實際應用[J].腐蝕與防護，2007（28）：143－146.ZHANG Xiaohe，XING Anqing.Galvanic action of zinc coated steel－theoretial modeling and practicality[J].Corrolion and Protection，2007（28）：143－146.

[5]SRIVASTAVA K D，ZHOU Jianping.Surface charging and flashover of spacers in SF6 under impulse voltages[J].IEEE Trans.on EI，1991，26（3）：428－442.

[6]邱毓昌.GIS裝置及其絕緣技術[M].北京：水利電力出版社，1994.

[7]楊仲江，馬子龍，李祥超.殘留電荷對氣體放電管沖擊放電電壓的影響分析[J].電瓷避雷器，2014（4）：116－126.YANG Zhongjiang，MA Zilong，LI Xiangchao.Analysis of the Influence of Residual Charges on Gas Discharge Tubes Impulse Discharge Voltage[J].Insulators and Surge Arresters.2014（4）：116－126.

[8]GBT 3482－2008電子設備雷擊試驗方法[S].2008.

[9]GBT 17626.5－2008電磁兼容試驗和測量技術浪涌（沖擊）抗擾度試驗[s].2008.

[10]李樹岑.過電壓保護氣體放電管[J].真空電子技術.1994（4）：42－47.Li Shulun.Gas Discharge Tubes for Overvoltage Protection[J].VACUUM ELECTRONICS，1994（4）：42－47.

[11]WILSON J.KUNG S.Microwave Sintering of Partially Stabilized Zirconia.presented at the 89th Annual Meeting of the American Ceramic Society，Pittsbwry，PA，1987.

[12]BLAKE R D，MEEK T T.J.MATER.Microwave Processed Compositematerial[J].Sci.Lett.1986（5）：1097－1098.

[13]清華、西交大合編.高電壓絕緣[M].水利電力出版社，1980

[14]王文端，王景春，于德明.絕緣板表面殘余電荷對沿面放電的影響[J].華北電子學院學報，1993.1；26－30.WANG Wenrui，WANG Jingchun，YU Deming.Effect of surface charge on surface discharge of insulating plate[J].JOURNAL OF NORTH CHINA INSTITUTE OF ELECTRIC POWER.1993.1：26－30.

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。

國家自然科學基金資助項目（編號：41175003）；國家重點基礎研究發(fā)展計劃 “973計劃”資助項目（編號：2014CB441405）；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目（編號：PAPD）。