隔離變（biàn）壓器在雷擊浪湧抗擾度（dù）試驗中的應用

隔離變壓器在雷擊浪湧抗擾度（dù）試驗中的應（yīng）用

國家標準GB/T 17626.5（等同采用IEC 61000-4-5）是浪湧抗擾度試驗標準，這是（shì）幾種最重要的抗擾度（dù）試驗之（zhī）一，凡是由電網供電的電子和電氣設備隻（zhī）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型，標準規定了兩種類型的組合波發生器：一（yī）種是適合於將浪湧施加到交流或直流電源端口的低阻抗源（1.2/50μs組合波發生器），所產生（shēng）開路電壓的波前時間是（shì）1.2μs，開路（lù）電壓的半峰值時間是50μs；短路電（diàn）流的（de）波前時間是8μs，短路電流的半峰值時間是20μs；發生器（qì）的等效內阻是2Ω。另一種則是適（shì）合（hé）於（yú）施加在通信線端口的高阻（zǔ）抗源（yuán）（10/700μs組合波發生器）。在實際（jì）使用中，用在交流或直（zhí）流電（diàn）源端口的（de）低阻抗源發生器是用（yòng）得最（zuì）多的一種發生器（qì）。

本文著重（chóng）介紹了用在電源端口浪（làng）湧試驗的（de）耦合/去耦網絡，以及為了配（pèi）合電源線進行浪湧試（shì）驗所采用的隔（gé）離變壓器。

1　用於電源端口進行浪（làng）湧試驗的耦合/去耦網絡

為了要將（jiāng）浪湧信號從浪湧發生（shēng）器施加到受試（shì）線路上去，必需要用到耦合/去耦網絡，其中：

耦合網絡是將信號能量（liàng）從一個電（diàn）路傳送到另一個電路的電路。

去耦網（wǎng）絡是用（yòng）幹防止施加在線路的（de）的浪湧衝（chōng）擊影響其（qí）他（tā）不作試驗的裝置（zhì）、設備（bèi）和係（xì）統的電路。

為了敘述（shù）和分（fèn）析的方便起（qǐ），在圖1和圖2中分別給出了用在單相電源線路上進行試驗的耦（ǒu）合/去（qù）耦網絡實例。其中（zhōng）圖1是適用於線-線耦合（差模耦合）的線路；圖2是適用於線-地耦合（hé）（共模耦合（hé））的（de）線路。

與耦合（hé）/去耦網絡的（de）定義進行比對，可以清楚看出，差模耦合是采用18μF的電容器（qì）來實現，將浪湧信（xìn）號從發（fā）生器的輸出（chū）耦合到電源線的L和N之間。既（jì）然差（chà）模耦合是將（jiāng）發生器的輸出經（jīng）過耦（ǒu）合電容耦合到電源線路的一根線與（yǔ）另一根線之間，那麽（me）原則上（shàng）將發生器的輸出耦合到電源（yuán）線的N和L之間也是允許的。

共模耦合是通過9μF＋10Ω線路來得以實現。發（fā）生器的一端接在保護地（PE）上，另一端則通過9μF＋10Ω線路（lù）接到L或N的（de）其中一根線上。因此共模試驗的浪湧信號是施加在電源線路（L或N）和地線（PE）之間（jiān）。原則上（shàng）浪湧信號同（tóng）時施加在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（kuàng）中的電感和電容擔任。從線路（lù）的布局可（kě）以看出，電感L兼有差（chà）模濾波和共模濾波的作用。三個去耦電容則各施其職，並聯在L和N之間的擔當差模濾波；並聯在L和PE、N和PE之間的擔當共模濾波。

去（qù）耦電路相對（duì）浪湧（yǒng）信號（含有（yǒu）豐富的高頻（pín）成分）來說，能（néng）提供較高的（de）阻抗，盡可能阻止了（le）浪湧（yǒng）波形進入電（diàn）網，與（yǔ）此同時，又允許工頻和直流電源能夠暢（chàng）通（tōng）地給被試設備（bèi）供電。為了避（bì）免（miǎn）去耦網絡引起被試設備側的電源電壓下降，在標準裏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1.5mH。對於額（é）定電流大於25A的，去（qù）耦電感的值應（yīng）當適當減小。由於電感器的電感量有限，因（yīn）此在標準裏規定了發生器經過耦合/去耦網絡之後的開路電（diàn）壓和短路電流的波形有允許變動的允（yǔn）許範圍。

關於去耦電容器的電（diàn）容量，在（zài）標準中並未給出（chū）參考數值，但是在標準中（zhōng）提到過兩個要求：

“當被試設備沒有連接時，在去耦網（wǎng）絡電源端子上的殘餘浪湧電壓不應超（chāo）過所施允驗試驗電壓的15%，或耦合/去耦網（wǎng）絡額定電壓峰值的兩倍（bèi），兩者之間（jiān）取大者。

當被試設（shè）備沒有連接時，且耦合（hé）/去（qù）耦網絡輸入端開路時，在未施加（jiā）浪（làng）湧線路上的殘餘浪湧（yǒng）電壓不應超過最（zuì）大可施電壓的15%。"

標（biāo）準上的這兩個要求可以認為是去耦電容器（qì）的選擇（zé）依據。現（xiàn）在市麵上大部分（fèn）設備的這幾個去耦電容都采用10μF的（de）高壓電容。

2　電源（yuán）線耦合/去耦網絡在浪湧（yǒng）試驗中遇到的實（shí）際問題

    在進行電源線的浪湧試驗時，遇到的實際問題主要有兩個：① 試驗室電源開關（guān）的跳（tiào）閘問題（tí）。② 試驗發生器的浮空問題。

① 試驗室（shì）電源開關的跳閘問題

在試驗室進行浪湧試（shì）驗時，經常遇（yù）到（dào）的第一（yī）個問題是，在電源線耦合/去耦網絡與試驗（yàn）室電源接通的（de）一瞬間發生試驗室電源開關的（de）跳閘。當我們研究這些試驗室的供電（diàn）線路，發現（xiàn）這些試驗室（shì）有一（yī）個共同的特點，即它們都采用了漏電保護開關。

已經（jīng）說過，為了讓圖1和圖2的單相（xiàng）耦合（hé）/去（qù）耦網絡有比較好的去耦效果，圖中三個（gè）去耦電容（róng）器的電容量實際都用（yòng）到了10μF。其中經過L對PE這個（gè）電容所流通的電流將被試驗室（shì）的漏電保護開（kāi）關認作漏電流來進行處理，對220V係統來說，這個電流的值將（jiāng）達到：

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

遠大於漏電保護開關的（de）動作（zuò）電流設定值（一般為30mA），所以實驗室的漏電保護開關必跳無疑。

    解決（jué）試驗室漏電保護開關跳閘的辦（bàn）法之一是，跳過漏電保護開關來接線，這個辦法的（de）最大缺（quē）點是試驗室（shì）用電的安全性（xìng）受到（dào）了影響。

② 試驗（yàn）發（fā）生器的浮空問題

在試驗室進行浪湧試驗時，經常遇到的第二個問題是試驗發生器的浮空問題。

在GB/T 17626.5標準的“信號發生器的特征與性能"這一節（見標準6.1.1節）專門提出了（le）要使用輸出端浮地的信號發生器。這裏所謂“浮地"，即是發生器的公共（gòng）輸（shū）出端（duān）（COM）與耦合/去（qù）耦網絡的接地端子（PE）是（shì）浮（fú）空的，這（zhè）主要是為了配（pèi）合差模耦合的需要。

從圖1可以看出，現在的發生（shēng）器的公（gōng）共輸出（chū）端（COM）是與耦合/去耦網絡的N這根線聯在一起；發生器的輸出（SURGE）經10μF的電容與（yǔ）耦合/去耦網絡的L這（zhè）根線聯在一起，所以浪湧信號是加在電源線的L與N之間。

針對上述（shù）這種接線情況，如果發生器的輸出不是浮地的，亦即發生器的COM端子與耦合/去耦網絡的PE是（shì）相通的，那麽相當於通過（guò）這種差模耦合（hé）的接線把N和PE短接了。由於（yú）正常情況下的N和PE的電（diàn）位大體上是相等的，所（suǒ）以就這個試（shì）驗來說（shuō），接線的危險性並（bìng）不存在（zài），試驗尚（shàng）可進（jìn）行（háng）下（xià）去。

前麵，我（wǒ）們在（zài）對差模耦合（hé）的分析中曾經指出“既然（rán）差模耦合是（shì）將發生器的輸出（chū）經過耦合（hé）電容（róng）耦合到電（diàn）源線路的一根線與另一根線之間，那（nà）麽原則上將發生器的輸出耦合（hé）到電源線的N和L之間也是允許的"。這時如果發生器的輸不是浮地的（發生器的COM端子與耦（ǒu）合/去耦（ǒu）網絡的PE是相通的），那麽相當於通過現在這種差模耦合的（de）接線把L和PE短接了。對於這種情（qíng）況（kuàng），可（kě）能出現的後果是，L和PE短路使試驗室電源進線的熔斷器熔斷。如果不（bú）想出現這種（zhǒng）情況，可以將浪湧試驗設（shè）備的機殼浮起來（機（jī）殼不接試驗室的保護地（dì）），但這樣一來浪湧試驗設備的機殼就和L線是等電位了，這（zhè）對試驗人員的安全性產（chǎn）生了威脅。

3　隔離變壓器的應用

為了解決前麵提到的兩（liǎng）個浪湧試驗中的麻煩點，采用（yòng）隔離變（biàn）壓器（囹3）應該是一個比較好的解決方案。

隔離變壓器是一個初、次級變比為1:1的變壓器。由於次級和大地（PE）之間沒有直接的接地關係，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（見圖4），在PE線中也不會有電（diàn）流（liú）流入，電流僅在L’、N’線間流動。當次級的電流（liú）折合到初線，此電流也隻是（shì）在初（chū）級的L、N間流動，絕不會構成讓試驗室漏電保護開關（guān）動作的漏（lòu）電（diàn）。因此，采用隔離變壓器可以杜絕試驗室漏電（diàn）保護開關的誤動作。

其次，由於變（biàn）壓器的次級與（yǔ）大地之（zhī）間是（shì）浮（fú）空的，因（yīn）此即使試驗（yàn）發生器的輸出是不浮空的，無論差模耦合是將湧浪信（xìn）號加在電源線的L’與N’之間，或者是N’和L’之（zhī）間（jiān）都（dōu）不會造成試驗設備的機（jī）殼帶電，對於試（shì）驗人員來說增（zēng）加了試驗中的方便性和安全性。

4　對隔（gé）離變壓器容量的要求

由於浪湧試驗的（de）耦（ǒu）合/去（qù）耦網絡采用的耦合電容和去耦電（diàn）容的容量比（bǐ）較大，因此即使（shǐ）被試（shì）設備不接，隔離變壓器（qì）的次級還是有比較大的電流流過，這一點是在選擇適用的隔離變壓器時必須注意的問題。最大電流發生在差模耦合（hé）的情況（kuàng）下，參（cān）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（lí）變壓器在未接入被（bèi）試設（shè）備（bèi）時，由於耦（ǒu）合/去耦網絡的存在，隔離變壓器需要額外提供2.28A電流。對於220V係統來說，即使被試（shì）設備的（de）容量暫（zàn）不考慮，隔離變壓器（qì）的2.28×220 ＝ 503VA（相當於0.5kVA）的無功功率也必須考慮。

5　隔離變壓器（qì）容量的應用舉例

較早考（kǎo）慮用隔離變壓器（qì）開展（zhǎn）浪湧抗擾（rǎo）度試驗的例子（zǐ）是（shì）電子式電能表，由（yóu）於電能表的參（cān）比電（diàn）壓有57.5V、100V、220V和380V等幾種（zhǒng），為試驗需要，常用的辦法是耦合/去耦網絡之前（qián）接調（diào）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（qī）的電能表生產企業由於沒有考慮耦合/去（qù）耦網絡的泄漏電流，而（ér）僅僅考慮電能表試驗所需的參比電壓，因（yīn）而采（cǎi）用了（le）容（róng）量較小的調壓器（例如采用200VA的（de）調壓器）來進行試驗，結果曾多次出現過調壓器損毀（huǐ）的事故（gù）。後經過對（duì）耦合（hé）/去耦（ǒu）網絡的特性（xìng）進行了分析，糾正了對調壓器和隔離度壓器容量選擇上的錯（cuò）誤，電（diàn）能表的浪湧抗擾度（dù）試驗取得了很好的效果。