隔離變壓器在雷擊浪湧抗擾（rǎo）度試（shì）驗中的應用

隔離變壓器在雷擊浪湧（yǒng）抗（kàng）擾度試驗中的應用（yòng）

國家標準（zhǔn）GB/T 17626.5（等同采用IEC 61000-4-5）是浪湧抗擾度試驗標準，這是幾種最重要的（de）抗擾度試驗之一，凡是由電網供電的電子和（hé）電氣設備隻要有做抗（kàng）擾度試驗要求的幾乎都需要做這種試驗。

根據受試設備（bèi）端口的類型，標準規定了兩種類型的組合波發生器：一種是適合（hé）於將浪湧施加（jiā）到（dào）交流或直流電源端口的低阻抗源（1.2/50μs組合波發生器），所產生開路電壓的波前時間是1.2μs，開路電壓的半峰值時間是50μs；短路電流的波前（qián）時間是8μs，短路電流的半峰值時間是20μs；發生器的等效內阻是2Ω。另一種則是適（shì）合於施加在通信線端口的高阻抗源（10/700μs組合波發生器）。在實際使用中，用在交流（liú）或直流電源端口的低（dī）阻抗源發生（shēng）器是用得最多的一種發生器。

本文著重介紹（shào）了用在電源端（duān）口浪湧試驗的耦合/去耦網絡，以及為了配（pèi）合電源線進行浪湧試驗所采用的隔離變壓器。

1　用於電源端口進行浪湧試驗的耦合/去耦網絡

為了要將浪湧信號從浪湧發生器施加到受試線路上去，必需要用到耦合/去耦網絡，其中：

耦合網絡（luò）是將信號能量從（cóng）一個電路傳送到另一個電路（lù）的電路。

去耦網絡是用幹防止施加（jiā）在線路的的浪湧（yǒng）衝擊影（yǐng）響其他不作試驗的裝置、設備和係統的電路。

為了敘（xù）述和分析的方便起，在圖（tú）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合/去耦網（wǎng）絡實例（lì）。其中圖1是適用於線-線耦（ǒu）合（差模耦合）的線路；圖2是適用於線-地（dì）耦合（共模耦合（hé））的線路。

與耦合/去耦網絡的定義進（jìn）行比對，可以清楚看出，差模耦合是采用18μF的電容器來（lái）實現，將（jiāng）浪湧信號（hào）從發生器的輸出耦合到電源線的L和N之間。既然差模耦合是將發生器（qì）的輸出經過耦合電容耦合到電源線路（lù）的一根線與另一根線之間（jiān），那麽原則（zé）上將發生器的輸出耦合到電源線的N和L之（zhī）間也是（shì）允許的（de）。

共模耦合是通（tōng）過（guò）9μF＋10Ω線路來得（dé）以實現。發生器的一端接在保護（hù）地（PE）上，另一端則通過9μF＋10Ω線路接到L或N的其中一根（gēn）線上。因此共模試驗（yàn）的浪湧信號（hào）是施加在電源線路（L或N）和地線（PE）之間。原則上浪湧信號同（tóng）時施加在L和PE，以及N和（hé）PE之間是也被允許（xǔ）的。

去耦電路則（zé）由圖1和（hé）圖2方框中的電（diàn）感和電容擔任（rèn）。從線路的布局可以看出，電（diàn）感L兼有差模濾波和共模濾波的（de）作用。三個去耦電（diàn）容則（zé）各施其職，並聯在L和N之間（jiān）的（de）擔當差模濾波（bō）；並聯在L和PE、N和PE之間的擔當共模濾波。

去耦電路相對浪湧信號（含有豐富的高頻成分）來說，能提供較高的阻抗，盡可能阻止了浪湧波形進入電網，與此同時，又允許工頻和直流電源能夠暢通地給被試設備供電。為了避免去耦網絡引起（qǐ）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（é）額（é）定電流25A以下的，去耦電感不超過1.5mH。對於額定電流大於25A的，去耦電感（gǎn）的值應當適當減小。由（yóu）於電（diàn）感（gǎn）器的電感量有限，因此在標準裏規定了（le）發生器經（jīng）過耦合/去耦網絡之後的開路電壓和（hé）短（duǎn）路電流的波形有允（yǔn）許變動的允許範圍。

關於去耦電容器的電容量，在標準中並未給出參考數值，但是（shì）在標準中提到過兩個要求：

“當被試設備沒有連接時，在去（qù）耦網絡（luò）電源端子（zǐ）上的殘餘浪湧（yǒng）電壓不應超過所（suǒ）施允驗試（shì）驗電壓的15%，或耦合（hé）/去耦網（wǎng）絡額定電壓峰（fēng）值的兩（liǎng）倍，兩者之間取大者（zhě）。

當被試設備沒有連接時，且耦合/去（qù）耦網絡輸入端開（kāi）路時，在未施加浪湧線路上（shàng）的殘餘浪湧電壓不應超過（guò）最大可施電壓的（de）15%。"

標準上的這兩個要求可以認為是去耦電容器的選擇（zé）依據（jù）。現在市（shì）麵上大部分設備的這幾個去耦電容都采用10μF的高壓電容。

2　電源線耦合（hé）/去耦（ǒu）網絡在浪湧試驗中遇到的實際問題

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

① 試驗室電源開關的跳閘問題

在試驗室進行（háng）浪湧試驗時，經常遇到的第一個問（wèn）題是，在電源線耦合/去耦網絡與試驗室（shì）電源接（jiē）通的一瞬間發生試驗室（shì）電源開關的跳閘。當我（wǒ）們（men）研究這些試（shì）驗（yàn）室的供電線（xiàn）路，發現這些試驗室有一個共同的特點，即它們都采用了漏電保（bǎo）護開關（guān）。

已經說過，為了讓圖1和圖2的單相耦合/去耦網絡有比較好的去耦效果，圖中三個去（qù）耦（ǒu）電容（róng）器的電容量實際都用到了10μF。其中經過L對PE這個電容所（suǒ）流通（tōng）的電流將被試（shì）驗室的漏電保護開關認作漏電流來進行處理，對（duì）220V係（xì）統來說，這個電流的（de）值將達（dá）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動（dòng）作電（diàn）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（jiě）決試驗室漏電（diàn）保（bǎo）護開關跳閘的（de）辦法之一（yī）是，跳過漏電保護開關來接線（xiàn），這個辦法的最大缺（quē）點是試驗室（shì）用電的安全性受到了影響。

② 試驗發生器的浮（fú）空問題（tí）

在試驗室進行浪湧試驗時，經常（cháng）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（de）“信號發生器的特征與性能"這一節（見標準6.1.1節）專門提出了要使用輸出（chū）端浮（fú）地的（de）信號發生器。這裏所謂“浮地（dì）"，即是發生器的公共輸出端（duān）（COM）與耦合/去耦（ǒu）網絡（luò）的接地端子（PE）是浮空的，這主要（yào）是為了配合差模耦合的需要。

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

針對上（shàng）述這種（zhǒng）接線情況，如果發生器的輸出不是浮地的（de），亦即發生器的COM端子與耦合/去耦網（wǎng）絡的PE是相通的，那麽相當於通過這種差模耦（ǒu）合的接線把N和PE短接了。由於正常情（qíng）況下的N和PE的電位大體上是相等的，所以就（jiù）這個試（shì）驗來說（shuō），接線的危險性並不存在，試驗（yàn）尚可進行下去。

前麵，我們在對差（chà）模耦合（hé）的分析中曾經指出“既然差（chà）模耦（ǒu）合是將發生器（qì）的輸出經過耦合電容耦合到電源線路的一（yī）根線與另（lìng）一根線之間，那（nà）麽原則上將發生器的輸出耦合到電源線的N和L之間也是（shì）允許的"。這時如果發生（shēng）器的輸不是浮地的（發生器（qì）的COM端子與（yǔ）耦合/去耦網絡的PE是相通的），那麽相當於通過現在這種差（chà）模耦合（hé）的接線把L和（hé）PE短接（jiē）了。對於這種情況，可能出現的後果（guǒ）是，L和（hé）PE短路使試驗室電源進線的熔斷器熔斷（duàn）。如果不想出現這（zhè）種情況，可以將浪湧試驗設備的機殼浮起來（機殼不接試驗室的保護地（dì）），但這樣一來浪湧試驗設備的機（jī）殼就和L線是等電位了（le），這對試驗人員的安全性產生了威脅。

3　隔離（lí）變壓器的應用

為了解決（jué）前麵提到的兩個浪湧試驗（yàn）中的麻煩點，采用隔離變壓器（囹（líng）3）應該是一（yī）個比較好的解決方案。

隔離變壓器是一個初、次（cì）級變比為1:1的變壓器。由於（yú）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（biàn）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（yǒu）共模電容（見圖4），在PE線中也不（bú）會有電流（liú）流入，電流僅在L’、N’線間流動。當次級的電流折合到初（chū）線，此電（diàn）流也隻是在初級的L、N間流動，絕不會構成（chéng）讓試驗室漏電（diàn）保護開關動作的漏電。因此，采（cǎi）用隔離變壓器可以（yǐ）杜絕試（shì）驗（yàn）室漏電保護開關的誤動作。

其次，由於變壓器的次級與大地之間是浮（fú）空的，因（yīn）此即使試驗發生器的輸出是不浮空的，無論差模耦合是將湧浪信號加在電源線的L’與N’之間，或（huò）者是N’和L’之（zhī）間都（dōu）不會造成（chéng）試（shì）驗設備的機殼帶電，對於試驗人員來說增加了試驗中的方便性和安全性。

4　對隔（gé）離變壓器容（róng）量的要求

由於浪湧試驗（yàn）的耦合/去（qù）耦網絡采用的耦合電容和去耦電容的容量比（bǐ）較（jiào）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，這一點是（shì）在選擇（zé）適用的隔離變壓器時必（bì）須注意的問（wèn）題。最大電流發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（diàn）流：

I ＝ I₁＋I₂＋I₃ ＝ 0.69＋0.34＋1.25 ＝ 2.28A

亦即隔離（lí）變壓器在未接入被試設備時，由於耦合/去耦網絡的（de）存在，隔離變壓器需要額外提供2.28A電流（liú）。對於220V係統來說，即使被試設備的容量暫不（bú）考慮，隔離變壓器的2.28×220 ＝ 503VA（相當於0.5kVA）的無功功率也必須考慮。

5　隔離變壓器容量的應用舉例

較早考慮用隔離變壓器開展浪湧抗擾度試驗的例子是電子式電能表，由於電能表的參比（bǐ）電壓有57.5V、100V、220V和380V等幾（jǐ）種，為試驗需要，常用（yòng）的辦法是（shì）耦合/去耦網絡之（zhī）前接調（diào）壓器或固定抽頭的隔離變壓器（抽頭的電壓（yā）要符合電能表參比電壓的要求（qiú））。早期的電能表（biǎo）生產企業由（yóu）於沒有考慮（lǜ）耦合/去耦（ǒu）網絡的泄漏電流，而僅僅（jǐn）考慮電能表試驗所需（xū）的（de）參比電壓，因而采用了（le）容量較小的調壓器（例如采用200VA的（de）調壓器）來進（jìn）行試驗，結果曾多次出現過調壓（yā）器損毀（huǐ）的事故。後經過對耦合/去耦（ǒu）網絡的特性進行（háng）了分（fèn）析，糾正了對調壓（yā）器（qì）和隔離度壓器容量選擇上的錯誤，電能表的浪湧抗擾度（dù）試驗取得了很好的效果。