隔離變壓器在雷擊浪湧抗擾（rǎo）度試驗中的應（yīng）用

隔離變壓器在雷擊浪湧抗擾度試驗中的應用

國家標準GB/T 17626.5（等（děng）同采用IEC 61000-4-5）是浪湧抗擾度試（shì）驗標準，這是幾種最重要的抗擾度試驗之（zhī）一，凡（fán）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（qiú）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（zhǒng）類型（xíng）的組合波發生器：一種是適合於將浪湧施加到交流（liú）或直流電源端口的（de）低阻抗源（1.2/50μs組合波發生器（qì）），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（lù）電流的波前時間是8μs，短路電流的半峰值時間是20μs；發生器的等效（xiào）內（nèi）阻是2Ω。另一種則是適合於施加在通（tōng）信線端口的高阻抗源（10/700μs組合波發生器）。在實際使用（yòng）中，用在交流或直（zhí）流電源端口的低阻抗（kàng）源發生器是用得最多的一種（zhǒng）發生器。

本文著重介紹了用在電源端口（kǒu）浪湧試驗的耦（ǒu）合/去（qù）耦網絡，以及為了配合電源線進行浪湧試驗所采用的隔離變壓器（qì）。

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（làng）湧信號從浪湧發生（shēng）器施加（jiā）到受試線路上去，必需（xū）要用到耦合/去耦網絡，其中：

耦合網絡是將（jiāng）信號能量從一個電路傳送到（dào）另一個電路的電路。

去耦網（wǎng）絡是（shì）用幹防止施加在線路的的浪湧衝擊（jī）影（yǐng）響其他不作試（shì）驗的裝置、設備（bèi）和係統的電路。

為了敘述和分析的方便起，在圖1和圖2中（zhōng）分別給出了用在單相電源線路上進行試驗的耦合/去耦網絡實例。其（qí）中圖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（共模耦合）的線路（lù）。

與耦合/去耦網絡的定義進行比對，可以清楚看出，差（chà）模耦合是采（cǎi）用18μF的（de）電容器來實現，將浪湧信號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（hé）是將發生器的輸（shū）出（chū）經過耦合電容耦合到電源線路的（de）一根線與另（lìng）一根線之（zhī）間，那麽原則上將發（fā）生器的輸出耦合到電源線的N和L之間也是允許的。

共模耦合（hé）是通過9μF＋10Ω線路來得以實現。發生器的一端接在保護（hù）地（PE）上，另一端則（zé）通過9μF＋10Ω線路接到L或N的其中一根線上。因此共模試驗的浪湧信號是施加在電源（yuán）線路（L或N）和地線（PE）之間。原則上（shàng）浪湧信號（hào）同時施加在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方框中的電感和電容擔任。從線路的布局可（kě）以看出，電感L兼有差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（de）擔當差模濾波（bō）；並聯在L和PE、N和PE之間的擔（dān）當共模濾波。

去耦電路相對浪湧信號（含（hán）有豐富的高頻成分）來說，能提供較高的阻抗，盡可能（néng）阻止了浪湧波形進入電網（wǎng），與此（cǐ）同時，又允許工頻和直流電（diàn）源能夠暢通地給被試設備供電。為了避免去（qù）耦網絡引起被試設備側的電源電壓下降，在標（biāo）準裏初步（bù）規（guī）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。對於額定電流大於（yú）25A的，去耦電（diàn）感的值應當適（shì）當減小。由於電感器的電感量有限，因此在標準裏（lǐ）規定了發生器經過耦合/去耦網絡之後的（de）開路電壓和短路電流的波形有允許變動（dòng）的（de）允許範圍。

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

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

當被（bèi）試設備沒有連接時，且耦合/去耦網絡輸入端開路時，在未施加浪湧線路上的殘餘浪湧電壓不應超過最大可（kě）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的選擇依據（jù）。現在市麵上大部分設備的這幾個去耦電容都采用10μF的高（gāo）壓電（diàn）容（róng）。

2　電源線耦合/去耦網絡在浪（làng）湧試驗中遇（yù）到的實際問題

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

① 試驗室電源開關的跳（tiào）閘（zhá）問題

在試驗室進行浪湧試驗時（shí），經常遇到的第一個問題是，在電源線耦合/去耦網絡與試驗（yàn）室電源接通的一瞬間發生試驗（yàn）室電源開關的跳閘。當我們研究這些試驗室的供電線路，發現這些試驗室有（yǒu）一個共同的特點，即它們都采用了漏電保護開關。

已經說過，為了讓圖1和（hé）圖2的（de）單相耦合/去耦網絡有比較好的（de）去耦效果，圖中三（sān）個去耦電容器的電容量實際（jì）都用到了10μF。其中經過L對PE這個（gè）電容所流通的電流將被試驗室的漏電保護開關認作漏電流來（lái）進（jìn）行處理，對220V係統來說，這個電流的值（zhí）將達到（dào）：

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（kāi）關的（de）動作電流設定（dìng）值（一般為30mA），所（suǒ）以實驗室（shì）的漏電保護開關（guān）必跳無（wú）疑（yí）。

    解決試驗室漏電（diàn）保護開關跳閘的辦法之一是，跳過漏電保（bǎo）護開關來接線，這個辦法的最大（dà）缺（quē）點是試驗（yàn）室用電的安全性（xìng）受到了影響。

② 試驗發生器的浮空問（wèn）題（tí）

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（de）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（zhè）一節（見（jiàn）標準6.1.1節）專門（mén）提（tí）出了要使用輸出端浮地的信號發生器。這裏所謂“浮地"，即是發生器的公共輸（shū）出（chū）端（duān）（COM）與耦合/去（qù）耦網絡的接地端子（PE）是（shì）浮空的，這主要是為了配合差（chà）模耦（ǒu）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/去耦網絡的N這根（gēn）線聯在一起；發（fā）生器的輸出（chū）（SURGE）經（jīng）10μF的（de）電容與耦合/去耦網絡的L這根線聯在一起，所以浪湧信號是（shì）加在（zài）電源線的（de）L與N之間。

針對上述這種接線情況，如果發生器（qì）的（de）輸出不是（shì）浮地的，亦即發生器的COM端子（zǐ）與耦合/去耦網絡的PE是相（xiàng）通的（de），那麽相當於通過這種差模耦合的接線把（bǎ）N和PE短（duǎn）接了。由於正常情況下的（de）N和PE的電位大體上是相（xiàng）等的，所以就這個試驗來說，接線的危險性並不存在，試驗尚可進行下去。

前麵（miàn），我們在對差模（mó）耦合的分（fèn）析中曾經指出“既然（rán）差模耦合是將發生器的輸出經過耦合電容耦合到電源線路的一根線與（yǔ）另一根線之間，那（nà）麽原則上將發生器的（de）輸出耦合到電源線的N和L之間（jiān）也是允許的"。這時如果發生（shēng）器的輸不是浮地（dì）的（發生器的COM端子與耦合（hé）/去耦網絡的PE是相通的），那麽相當於通過現在（zài）這種差模耦合的接線把L和PE短接了。對於（yú）這種情況，可能出現（xiàn）的後果是，L和PE短路使試驗室電源進線的熔斷器熔斷（duàn）。如果不想出現這種情（qíng）況，可以將浪（làng）湧試驗設備的機殼浮起來（機殼不接試驗室的保護地），但這樣一來浪湧試驗設（shè）備的機殼就和L線是（shì）等電位了，這對試驗人員的安全性（xìng）產（chǎn）生了威脅。

3　隔離變壓器的應用

為了解決前麵提到的（de）兩個浪湧試驗中的麻煩（fán）點，采用隔離變壓器（囹3）應該是一個比（bǐ）較好的解決方案。

隔離變壓器是（shì）一（yī）個（gè）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（dì）關係（xì），因此（cǐ）將圖3的隔離變壓器（qì）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（huì）有電流流入，電流僅在L’、N’線間流動。當次級的電流折合到初線，此電流也隻是在初級的L、N間（jiān）流動，絕不（bú）會構成讓試驗室漏電保護開關動作的漏電。因此，采用隔離變壓器可以杜絕試驗室漏電保護開關的誤動作。

其次，由於變壓器的（de）次級與大（dà）地之間是浮空（kōng）的，因此即使試驗發生器的輸出是不浮空的，無論（lùn）差模（mó）耦合是將湧浪信號加在電源線的L’與N’之間，或者是（shì）N’和L’之間（jiān）都不會造成試驗設備的（de）機殼帶電，對於試驗（yàn）人員來說增加了試驗中的方便性和安全性（xìng）。

4　對隔離變壓（yā）器容（róng）量的要求

由於浪湧試（shì）驗的耦合/去耦網絡采用的耦合電容和去（qù）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（yǒu）比較（jiào）大的電流流過，這一點是（shì）在選擇適用（yòng）的隔（gé）離變壓器時必須（xū）注意的（de）問題。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，由於（yú）耦合/去耦網絡的存在，隔離（lí）變壓器需（xū）要額外提供2.28A電流。對於220V係（xì）統來說，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（yòng）舉例

較早考（kǎo）慮用隔（gé）離變壓器開展浪湧抗擾度（dù）試驗的例子是電子式電能表（biǎo），由於（yú）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/去耦網絡之前接調壓器或（huò）固定抽頭的隔（gé）離（lí）變壓器（抽頭的電壓要符合電能表參比電（diàn）壓的要求（qiú））。早期的電能表生產企業由（yóu）於沒有考慮耦合/去耦網絡的泄漏電流，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（xiǎo）的調壓器（例（lì）如（rú）采用200VA的調壓器）來進行試驗，結果曾（céng）多次出現過調壓（yā）器損毀的事（shì）故。後經過對耦合/去（qù）耦網絡的特性進行了分析，糾正了對調壓器和隔離（lí）度壓器容量選（xuǎn）擇（zé）上的錯誤，電能表的浪湧抗擾度試驗取得了很好的效果。