隔離變壓器在雷擊浪涌抗擾度試驗中的應用

隔離變壓器在雷擊浪涌抗擾度試驗中的應用

國家標準GB/T 17626.5（等同采用IEC 61000-4-5）是浪涌抗擾度試驗標準，這是幾種最重要的抗擾度試驗之一，凡是由電網(wǎng)供電的電子和電氣設備只要有做抗擾度試驗要求的幾乎都需要做這種試驗。

根據受試設備端口的類(lèi)型，標準規定了兩種類(lèi)型的組合波發(fā)生器：一種是適合于將浪涌施加到交流或直流電源端口的低阻抗源（1.2/50μs組合波發(fā)生器），所產(chǎn)生開(kāi)路電壓的波前時(shí)間是1.2μs，開(kāi)路電壓的半峰值時(shí)間是50μs；短路電流的波前時(shí)間是8μs，短路電流的半峰值時(shí)間是20μs；發(fā)生器的等效內阻是2Ω。另一種則是適合于施加在通信線(xiàn)端口的高阻抗源（10/700μs組合波發(fā)生器）。在實(shí)際使用中，用在交流或直流電源端口的低阻抗源發(fā)生器是用得最多的一種發(fā)生器。

本文著(zhù)重介紹了用在電源端口浪涌試驗的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )，以及為了配合電源線(xiàn)進(jìn)行浪涌試驗所采用的隔離變壓器。

1　用于電源端口進(jìn)行浪涌試驗的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )

為了要將浪涌信號從浪涌發(fā)生器施加到受試線(xiàn)路上去，必需要用到耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )，其中：

耦合網(wǎng)絡(luò )是將信號能量從一個(gè)電路傳送到另一個(gè)電路的電路。

去耦網(wǎng)絡(luò )是用干防止施加在線(xiàn)路的的浪涌沖擊影響其他不作試驗的裝置、設備和系統的電路。

為了敘述和分析的方便起，在圖1和圖2中分別給出了用在單相電源線(xiàn)路上進(jìn)行試驗的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )實(shí)例。其中圖1是適用于線(xiàn)-線(xiàn)耦合（差模耦合）的線(xiàn)路；圖2是適用于線(xiàn)-地耦合（共模耦合）的線(xiàn)路。

與耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )的定義進(jìn)行比對，可以清楚看出，差模耦合是采用18μF的電容器來(lái)實(shí)現，將浪涌信號從發(fā)生器的輸出耦合到電源線(xiàn)的L和N之間。既然差模耦合是將發(fā)生器的輸出經(jīng)過(guò)耦合電容耦合到電源線(xiàn)路的一根線(xiàn)與另一根線(xiàn)之間，那么原則上將發(fā)生器的輸出耦合到電源線(xiàn)的N和L之間也是允許的。

共模耦合是通過(guò)9μF＋10Ω線(xiàn)路來(lái)得以實(shí)現。發(fā)生器的一端接在保護地（PE）上，另一端則通過(guò)9μF＋10Ω線(xiàn)路接到L或N的其中一根線(xiàn)上。因此共模試驗的浪涌信號是施加在電源線(xiàn)路（L或N）和地線(xiàn)（PE）之間。原則上浪涌信號同時(shí)施加在L和PE，以及N和PE之間是也被允許的。

去耦電路則由圖1和圖2方框中的電感和電容擔任。從線(xiàn)路的布局可以看出，電感L兼有差模濾波和共模濾波的作用。三個(gè)去耦電容則各施其職，并聯(lián)在L和N之間的擔當差模濾波；并聯(lián)在L和PE、N和PE之間的擔當共模濾波。

去耦電路相對浪涌信號（含有豐富的高頻成分）來(lái)說(shuō)，能提供較高的阻抗，盡可能阻止了浪涌波形進(jìn)入電網(wǎng)，與此同時(shí)，又允許工頻和直流電源能夠暢通地給被試設備供電。為了避免去耦網(wǎng)絡(luò )引起被試設備側的電源電壓下降，在標準里初步規定了電感器的電感量，對額額定電流25A以下的，去耦電感不超過(guò)1.5mH。對于額定電流大于25A的，去耦電感的值應當適當減小。由于電感器的電感量有限，因此在標準里規定了發(fā)生器經(jīng)過(guò)耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )之后的開(kāi)路電壓和短路電流的波形有允許變動(dòng)的允許范圍。

關(guān)于去耦電容器的電容量，在標準中并未給出參考數值，但是在標準中提到過(guò)兩個(gè)要求：

“當被試設備沒(méi)有連接時(shí)，在去耦網(wǎng)絡(luò )電源端子上的殘余浪涌電壓不應超過(guò)所施允驗試驗電壓的15%，或耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )額定電壓峰值的兩倍，兩者之間取大者。

當被試設備沒(méi)有連接時(shí)，且耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )輸入端開(kāi)路時(shí)，在未施加浪涌線(xiàn)路上的殘余浪涌電壓不應超過(guò)最大可施電壓的15%。"

標準上的這兩個(gè)要求可以認為是去耦電容器的選擇依據?，F在市面上大部分設備的這幾個(gè)去耦電容都采用10μF的高壓電容。

2　電源線(xiàn)耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )在浪涌試驗中遇到的實(shí)際問(wèn)題

    在進(jìn)行電源線(xiàn)的浪涌試驗時(shí)，遇到的實(shí)際問(wèn)題主要有兩個(gè)：① 試驗室電源開(kāi)關(guān)的跳閘問(wèn)題。② 試驗發(fā)生器的浮空問(wèn)題。

① 試驗室電源開(kāi)關(guān)的跳閘問(wèn)題

在試驗室進(jìn)行浪涌試驗時(shí)，經(jīng)常遇到的第一個(gè)問(wèn)題是，在電源線(xiàn)耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )與試驗室電源接通的一瞬間發(fā)生試驗室電源開(kāi)關(guān)的跳閘。當我們研究這些試驗室的供電線(xiàn)路，發(fā)現這些試驗室有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即它們都采用了漏電保護開(kāi)關(guān)。

已經(jīng)說(shuō)過(guò)，為了讓圖1和圖2的單相耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )有比較好的去耦效果，圖中三個(gè)去耦電容器的電容量實(shí)際都用到了10μF。其中經(jīng)過(guò)L對PE這個(gè)電容所流通的電流將被試驗室的漏電保護開(kāi)關(guān)認作漏電流來(lái)進(jìn)行處理，對220V系統來(lái)說(shuō)，這個(gè)電流的值將達到：

I ＝ 220 /［1 /（2 π f C）］＝ 220×（2×3.14×50×10×10^－6）＝ 0. 69A

遠大于漏電保護開(kāi)關(guān)的動(dòng)作電流設定值（一般為30mA），所以實(shí)驗室的漏電保護開(kāi)關(guān)必跳無(wú)疑。

    解決試驗室漏電保護開(kāi)關(guān)跳閘的辦法之一是，跳過(guò)漏電保護開(kāi)關(guān)來(lái)接線(xiàn)，這個(gè)辦法的最大缺點(diǎn)是試驗室用電的安全性受到了影響。

② 試驗發(fā)生器的浮空問(wèn)題

在試驗室進(jìn)行浪涌試驗時(shí)，經(jīng)常遇到的第二個(gè)問(wèn)題是試驗發(fā)生器的浮空問(wèn)題。

在GB/T 17626.5標準的“信號發(fā)生器的特征與性能"這一節（見(jiàn)標準6.1.1節）專(zhuān)門(mén)提出了要使用輸出端浮地的信號發(fā)生器。這里所謂“浮地"，即是發(fā)生器的公共輸出端（COM）與耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )的接地端子（PE）是浮空的，這主要是為了配合差模耦合的需要。

從圖1可以看出，現在的發(fā)生器的公共輸出端（COM）是與耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )的N這根線(xiàn)聯(lián)在一起；發(fā)生器的輸出（SURGE）經(jīng)10μF的電容與耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )的L這根線(xiàn)聯(lián)在一起，所以浪涌信號是加在電源線(xiàn)的L與N之間。

針對上述這種接線(xiàn)情況，如果發(fā)生器的輸出不是浮地的，亦即發(fā)生器的COM端子與耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )的PE是相通的，那么相當于通過(guò)這種差模耦合的接線(xiàn)把N和PE短接了。由于正常情況下的N和PE的電位大體上是相等的，所以就這個(gè)試驗來(lái)說(shuō)，接線(xiàn)的危險性并不存在，試驗尚可進(jìn)行下去。

前面，我們在對差模耦合的分析中曾經(jīng)指出“既然差模耦合是將發(fā)生器的輸出經(jīng)過(guò)耦合電容耦合到電源線(xiàn)路的一根線(xiàn)與另一根線(xiàn)之間，那么原則上將發(fā)生器的輸出耦合到電源線(xiàn)的N和L之間也是允許的"。這時(shí)如果發(fā)生器的輸不是浮地的（發(fā)生器的COM端子與耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )的PE是相通的），那么相當于通過(guò)現在這種差模耦合的接線(xiàn)把L和PE短接了。對于這種情況，可能出現的后果是，L和PE短路使試驗室電源進(jìn)線(xiàn)的熔斷器熔斷。如果不想出現這種情況，可以將浪涌試驗設備的機殼浮起來(lái)（機殼不接試驗室的保護地），但這樣一來(lái)浪涌試驗設備的機殼就和L線(xiàn)是等電位了，這對試驗人員的安全性產(chǎn)生了威脅。

3　隔離變壓器的應用

為了解決前面提到的兩個(gè)浪涌試驗中的麻煩點(diǎn)，采用隔離變壓器（囹3）應該是一個(gè)比較好的解決方案。

隔離變壓器是一個(gè)初、次級變比為1:1的變壓器。由于次級和大地（PE）之間沒(méi)有直接的接地關(guān)系，因此將圖3的隔離變壓器接到圖1和圖2的交流電源回路，即使在L、N和PE之間接有共模電容（見(jiàn)圖4），在PE線(xiàn)中也不會(huì )有電流流入，電流僅在L’、N’線(xiàn)間流動(dòng)。當次級的電流折合到初線(xiàn)，此電流也只是在初級的L、N間流動(dòng)，絕不會(huì )構成讓試驗室漏電保護開(kāi)關(guān)動(dòng)作的漏電。因此，采用隔離變壓器可以杜絕試驗室漏電保護開(kāi)關(guān)的誤動(dòng)作。

其次，由于變壓器的次級與大地之間是浮空的，因此即使試驗發(fā)生器的輸出是不浮空的，無(wú)論差模耦合是將涌浪信號加在電源線(xiàn)的L’與N’之間，或者是N’和L’之間都不會(huì )造成試驗設備的機殼帶電，對于試驗人員來(lái)說(shuō)增加了試驗中的方便性和安全性。

4　對隔離變壓器容量的要求

由于浪涌試驗的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )采用的耦合電容和去耦電容的容量比較大，因此即使被試設備不接，隔離變壓器的次級還是有比較大的電流流過(guò)，這一點(diǎn)是在選擇適用的隔離變壓器時(shí)必須注意的問(wèn)題。最大電流發(fā)生在差模耦合的情況下，參看圖5所示。 

I₁ ＝ 220 /［1 /（2 π f C）］＝ 220 ×（2×3.14×50×10×10^－6）＝ 0. 69A

I₂ ＝ 220 /［1 /（2 π f C/2）］＝ 220 ×（2×3 .14×50×5× 10^－6）＝0. 34A

I₃ ＝ 220 /［j2 π f ×2L＋R＋（1/ j2 π f C）］

      ＝ 220 /［j2×3.14×50×1.5×10^－3＋8 ＋（1 / j2×3.14×50×18×10^－6）］

      ＝ 220 /［j0.942＋8－j176.616］

      ≈  1.25A

總電流：

I ＝ I₁＋I₂＋I₃ ＝ 0.69＋0.34＋1.25 ＝ 2.28A

亦即隔離變壓器在未接入被試設備時(shí)，由于耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )的存在，隔離變壓器需要額外提供2.28A電流。對于220V系統來(lái)說(shuō)，即使被試設備的容量暫不考慮，隔離變壓器的2.28×220 ＝ 503VA（相當于0.5kVA）的無(wú)功功率也必須考慮。

5　隔離變壓器容量的應用舉例

較早考慮用隔離變壓器開(kāi)展浪涌抗擾度試驗的例子是電子式電能表，由于電能表的參比電壓有57.5V、100V、220V和380V等幾種，為試驗需要，常用的辦法是耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )之前接調壓器或固定抽頭的隔離變壓器（抽頭的電壓要符合電能表參比電壓的要求）。早期的電能表生產(chǎn)企業(yè)由于沒(méi)有考慮耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )的泄漏電流，而僅僅考慮電能表試驗所需的參比電壓，因而采用了容量較小的調壓器（例如采用200VA的調壓器）來(lái)進(jìn)行試驗，結果曾多次出現過(guò)調壓器損毀的事故。后經(jīng)過(guò)對耦合/去耦網(wǎng)絡(luò )的特性進(jìn)行了分析，糾正了對調壓器和隔離度壓器容量選擇上的錯誤，電能表的浪涌抗擾度試驗取得了很好的效果。