机井采集环境中无线终端设备的电磁兼容问题研究

关键词：无线通信；电磁兼容；感应雷；浪涌保护

中图分类号：TN87；TN929.4 文献标识码：A

0 引言

在机井采集环境中使用无线终端设备时，面临3 种常见的瞬态干扰，包括静电放电、电快速瞬变脉冲群和雷电浪涌。这些电磁现象引起的瞬变电压会造成信号接口和主控芯片等设备的损坏，如感应雷会导致电路中产生浪涌电压，其峰值电压可达1 kV 甚至更高。王倩[1] 提出使用场路协同仿真方法来对电子设备信号传输过程中受电磁干扰问题进行研究，通过添加金属屏蔽层，有效降低了静电放电对信号波形的干扰。此外，从电磁干扰耦合路径的角度，在信号总线外增加接地屏蔽层，切断电磁干扰进入敏感设备的途径，也是合理有效的解决方案[2]。

为确保设备的正常工作，在信号接口前添加保护电路，当浪涌现象发生时，将浪涌脉冲能量传导至地面[3]，浪涌结束后电路恢复正常工作，不影响信号的正常传输。

1 浪涌保护设计与仿真

干扰源分为两大类：自然干扰源和人为干扰源。自然干扰源主要来源于大气层的天电噪声和地球外的宇宙噪声；人为干扰源是由机电或其他人工装置产生的电磁能量干扰[4]。当机井附近发生雷击时，产生变化强烈的电磁场[4]，使电缆和导线上产生电涌。根据法拉第电磁感应定律，电缆和导线上产生的电涌计算公式：

这些瞬变电涌通过不同的端口进入设备并且损坏设备，根据构成干扰的三要素可知[5]，在耦合路径上将瞬变电涌引导至其他地方可以减少干扰。例如，通过接地将导线上多余的浪涌传导至地面。在设计保护电路时需要注意以下3点：①保护电路不得干扰系统正常运行；②瞬变电涌被消除后，系统需要自动恢复正常工作，减少对系统性能的影响；③需要可靠的保护电路，以应对实际情况中发生的瞬态干扰。图1 为π 型浪涌保护电路，在面对高电压、大电流的浪涌时，该电路可以将其产生的瞬变能量从系统中转移出去。保护电路分为两级过压保护器和一级电流保护器，三级电路相互协同应对瞬变。二级电路触发电压值低、功率低，可以在浪涌脉冲上升的初始阶段将电压钳制到较低水平，当电压继续上升时，过流保护器断开且一级电路导通，其触发电压值高、功率高，这种方式可以提升整体的电压防护等级。π 型浪涌保护电路不仅能够保护系统不受电磁干扰的影响，同时还能增加浪涌保护器件的使用寿命。

常用的浪涌抑制器有瞬态电压抑制二极管（transient voltage suppressor，TVS）、气体放电管（gas discharge tube，GDT）、金属氧化物压敏电阻器（metal oxide varistor，MOV）、瞬态闭锁单元（transient blocking unit，TBU） 和高分子聚合物正温度系数元件（polymeric positive temperaturecoefficient，PPTC）等。这些浪涌抑制器功能相似，但性能差异较大，这决定了它们不同的应用方式，浪涌抑制器件性能对比如表1 所示[6]。

在电路仿真软件LTspice 中设计一个1.2/50 μs 的雷电浪涌组合波发生器，如图2 所示。根据GB/T17626.5—2019 标准[7] 中对1.2/50 μs 浪涌波形的定义可知，开路电压波前时间为1.2×（1±30%） μs，持续时间为50×（1±20%） μs，仿真的组合波符合上述定义。本文使用等效电阻（100 Ω）代替负载以便于分析，对于非屏蔽平衡线，一般使用串联电阻和电容作为耦合网络，浪涌冲击通过耦合网络连接在等效负载上。图2b 中的曲线1 表示组合波发生器的雷电浪涌电压波形，曲线2 表示组合波通过耦合网络加载在负载上的雷电浪涌波形。

如图3a 所示，保护电路使用MOV+TBU+TVS形成两级过压保护器+ 一级过流保护器的结构，虽然MOV 与TVS 都是电压抑制器，但MOV 最高可承受能量为150 J，能够应对1.2/50 μs 的浪涌脉冲。相较于TVS，MOV 的触发电压较高，电压值为18 ～1 800 V，因此在电压上升的初期，仍然需要TVS进行抑制。如图3b 所示，曲线V1 表示浪涌电压值，曲线IR5 表示MOV 电流值，曲线VR4 表示负载电压值。根据仿真结果可知，当浪涌施加于保护电路时，TVS 能够在极短的时间内导通，并将电压钳制到较低水平，通过低阻抗的接地路径来保护电路。而当电流过大时，TBU 断开，通过MOV 将大部分瞬变能量从系统和其他保护器件转移到地。MOV 的放电电流和保护电路均随着MOV 封装尺寸的增大而增大，相同体积下，GDT 的过电流能力是MOV 的4 ～ 5 倍，最大电流可以达到10 kA，因此在保证体积不变的情况下可以使用GDT 来应对更高等级浪涌的冲击。

如图4 所示，将MOV 换成GDT 来应对更高等级的浪涌，触发电压范围为75 ～ 3 600 V，图4b中曲线V1 表示浪涌电压值，曲线IR4 表示负载电流值，曲线IR6 表示GDT 电流值。当电压增大到GDT 的火花放电电压时，放电管中的气体由于产生的电荷开始电离，GDT 从高阻态模式切换到电弧模式，提供瞬态开路电流接地路径，将瞬态电流从受保护器件上转移开，从而对后级电路和负载起到有效的保护作用。

仿真结果显示，过流保护器TBU 相当于开关，在浪涌电压上升过程中可以实现从低功率的TVS切换到高功率的MOV 和GDT，这既可以有效保护敏感设备，又提高了浪涌保护器件使用寿命。

2 浪涌保护电路功能性测试

为了进行功能性测试，将负载设置为光耦，使用艾德克斯电子（南京）有限公司（ITECH）的ITM7722 可编程电源输出一个220 V 的脉冲信号，测试该电路在施加了220 V 脉冲信号后光耦是否可以正常工作。IT-M7722 可编程电源的时间精度最小为1 ms，MOV+TBU+TVS 保护电路波形图和GDT+TBU+TVS 保护电路波形图分别如图5 和图6所示。

图5 中CH1 表示脉冲电压值，CH2表示被保护侧R4 的电压值，CH3表示与MOV串联的R6的电压值。根据图5 可知，在电压上升初期先由TVS+TBU进行防护；当电流过大时，TBU 截止然后由MOV 进行导通，测试结果与仿真结果一致，并且光耦正常未损坏，MOV+TBU+TVS保护电路通过了功能性测试。

图6中CH1表示脉冲电压值，CH2表示与GDT串联的R6 的电压值，CH3表示被保护侧R4的电压值。测试结果与仿真结果一致，并且光耦正常未损坏，GDT+TBU+TVS保护电路通过了功能性测试。

3结论

在机井采集环境中，无线通信设备主要受雷电浪涌的影响且其危害较大，如果不在设计周期开始时就考虑电磁兼容性（electro magneticcompatibility，EMC）问题，则可能导致设备的性能下降，增加后期维护成本，影响设备的投入使用。通过仿真分析发现，单一的保护器件防浪涌水平低，π 型浪涌保护电路不仅能够应对更高等级的浪涌，还可以延长浪涌抑制器件的使用寿命，有效提升机井采集系统的抗干扰能力，该电路的实现对设计瞬变保护电路具有一定的参考意义。