隔離變壓器在電源線浪涌抗擾試驗中的應用

1、隔離變壓器在電源線浪涌抗擾度試驗中的應用The Use of Isolation Transformers in Surge Immunity Test on Power Lines摘要雷擊（沖擊）抗擾度的測試，對應標準GB/T 17626.5，是產(chǎn)品抗干擾能力測試中最常見項目之一。本文著重介紹了雷擊（沖擊）抗擾度測試對于電源線耦合/去耦網(wǎng)絡的測試規(guī)定及試驗方法，并根據(jù)標準的要求探討了電源線耦合/去耦網(wǎng)絡在實際應用中遇到的問題，及采用隔離變壓器的意義及對其容量的要求。關鍵詞GB/T 17626.5；耦合/去耦網(wǎng)絡；隔離電壓器AbstractThe surge immunity test, co

2、rresponding to the standard: GB/T 17626.5, is one of the most common anti-interference ability testing. This article mainly introduces the measurement requirements and test method of the power line coupling / decoupling networks in surge immunity tests. In accordance with the requirements of the sta

3、ndard it talks over the power line coupling / decoupling network problems in practical application. It also talks about the meaning of the isolation transformers to use and the requirements of its capacity.KeywordsGB/T 17626.5; Coupling/decoupling network; Isolation Transformer國家標準GB/T 17626.5（等同采用I

4、EC 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(jù)受試設備端口的類型，標準規(guī)定了兩種類型的組合波發(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（1.2/50s組合波發(fā)生器），所產(chǎn)生開路電壓的波前時間是1.2s，開路電壓的半峰值時間是50s；短路電流的波前時間是8s，短路電流的半峰值時間是20s；發(fā)生器的等效內(nèi)阻是2。另一種則是適合于施加在通信線端口的高阻抗源（10/700s組合波發(fā)生器）。在實際使用中，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。本文著重

5、介紹了用在電源端口浪涌試驗的耦合/去耦網(wǎng)絡，以及為了配合電源線進行浪涌試驗所采用的隔離變壓器。1 用于電源端口進行浪涌試驗的耦合/去耦網(wǎng)絡為了要將浪涌信號從浪涌發(fā)生器施加到受試線路上去，必需要用到耦合/去耦網(wǎng)絡，其中：耦合網(wǎng)絡是將信號能量從一個電路傳送到另一個電路的電路。去耦網(wǎng)絡是用干防止施加在線路的的浪涌沖擊影響其他不作試驗的裝置、設備和系統(tǒng)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路上進行試驗的耦合/去耦網(wǎng)絡實例。其中圖1是適用于線-線耦合（差模耦合）的線路；圖2是適用于線-地耦合（共模耦合）的線路。與耦合/去耦網(wǎng)絡的定義進行比對，可以清楚看出，差模耦合是采用1

6、8F的電容器來實現(xiàn)，將浪涌信號從發(fā)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(fā)生器的輸出經(jīng)過耦合電容耦合到電源線路的一根線與另一根線之間，那么原則上將發(fā)生器的輸出耦合到電源線的N和L之間也是允許的。共模耦合是通過9F10線路來得以實現(xiàn)。發(fā)生器的一端接在保護地（PE）上，另一端則通過9F10線路接到L或N的其中一根線上。因此共模試驗的浪涌信號是施加在電源線路（L或N）和地線（PE）之間。原則上浪涌信號同時施加在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，并聯(lián)在L和

7、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。組合波發(fā)生器圖1 交/直流線（單相）的線-線耦合圖2 交/直流線（單相）的線-地耦合 去耦電路相對浪涌信號（含有豐富的高頻成分）來說，能提供較高的阻抗，盡可能阻止了浪涌波形進入電網(wǎng)，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(wǎng)絡引起被試設備側的電源電壓下降，在標準里初步規(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(guī)定了發(fā)生器經(jīng)過耦合/去耦網(wǎng)絡之后的開路電壓和短路電流的波形有允許變動的允許

8、范圍（詳見標準的表6和表7，這里略過）。關于去耦電容器的電容量，在標準中并未給出參考數(shù)值，但是在標準中提到過兩個要求：“當被試設備沒有連接時，在去耦網(wǎng)絡電源端子上的殘余浪涌電壓不應超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，兩者之間取大者。當被試設備沒有連接時，且耦合/去耦網(wǎng)絡輸入端開路時，在未施加浪涌線路上的殘余浪涌電壓不應超過最大可施電壓的15%?！睒藴噬系倪@兩個要求可以認為是去耦電容器的選擇依據(jù)。根據(jù)我們對市面上浪涌設備的了解，大部分設備的這幾個去耦電容都采用10F的高壓電容。2 電源線耦合/去耦網(wǎng)絡在浪涌試驗中遇到的實際問題 在進行電源線的浪涌試驗時，遇到的實際問

9、題主要有兩個： 試驗室電源開關的跳閘問題。 試驗發(fā)生器的浮空問題。 試驗室電源開關的跳閘問題在試驗室進行浪涌試驗時，經(jīng)常遇到的第一個問題是，在電源線耦合/去耦網(wǎng)絡與試驗室電源接通的一瞬間發(fā)生試驗室電源開關的跳閘。當我們研究這些試驗室的供電線路，發(fā)現(xiàn)這些試驗室有一個共同的特點，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的單相耦合/去耦網(wǎng)絡有比較好的去耦效果，圖中三個去耦電容器的電容量實際都用到了10F。其中經(jīng)過L對PE這個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進行處理，對220V系統(tǒng)來說，這個電流的值將達到：I 220 /1 /（2 f C） 220（23.145010

10、106） 0. 69A遠大于漏電保護開關的動作電流設定值（一般為30mA），所以實驗室的漏電保護開關必跳無疑。 解決試驗室漏電保護開關跳閘的辦法之一是，跳過漏電保護開關來接線，這個辦法的最大缺點是試驗室用電的安全性受到了影響。 試驗發(fā)生器的浮空問題在試驗室進行浪涌試驗時，經(jīng)常遇到的第二個問題是試驗發(fā)生器的浮空問題。在GB/T 17626.5標準的“信號發(fā)生器的特征與性能”這一節(jié)（見標準節(jié)）專門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(xiàn)在的發(fā)生器的公共輸出端（

11、COM）是與耦合/去耦網(wǎng)絡的N這根線聯(lián)在一起；發(fā)生器的輸出（SURGE）經(jīng)10F的電容與耦合/去耦網(wǎng)絡的L這根線聯(lián)在一起，所以浪涌信號是加在電源線的L與N之間。針對上述這種接線情況，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)絡的PE是相通的，那么相當于通過這種差模耦合的接線把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，所以就這個試驗來說，接線的危險性并不存在，試驗尚可進行下去。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)過耦合電容耦合到電源線路的一根線與另一根線之間，那么原則上將發(fā)生器的輸出耦合到電源線的N和L之間也是允許的”。

12、這時如果發(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)絡的PE是相通的），那么相當于通過現(xiàn)在這種差模耦合的接線把L和PE短接了。對于這種情況，可能出現(xiàn)的后果是，L和PE短路使試驗室電源進線的熔斷器熔斷。如果不想出現(xiàn)這種情況，可以將浪涌試驗設備的機殼浮起來（機殼不接試驗室的保護地），但這樣一來浪涌試驗設備的機殼就和L線是等電位了，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浪涌試驗中的麻煩點，采用隔離變壓器（囹3）應該是一個比較好的解決方案。圖3 隔離變壓器隔離變壓器是一個初、次級變比為1:1的變壓器。由于次級和大地（PE）之間沒有直接的接地關系，因此將圖3

13、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，此電流也只是在初級的L、N間流動，絕不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。圖4 隔離變壓器與耦合/去耦網(wǎng)絡的聯(lián)接其次，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，無論差模耦合是將涌浪信號加在電源線的L與N之間，或者是N和L之間都不會造成試驗設備的機殼帶電，對于試驗人員來說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

14、耦網(wǎng)絡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，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(fā)生在差模耦合的情況下，參看圖5所示。 三個去耦電容均為10F，去耦電感為1.5mH，組合波發(fā)生器的等效內(nèi)電阻為8（典型值）圖5 差模耦合時隔離變壓器次級的線間電流計算圖中可見，隔離變壓器的次級電流由I1、I2和I3三路組成，其中：I1 220 /1 /（2 f C） 220 （23.145010106） 0. 69AI2 220 /1 /（2 f C/2） 220 （23 .14505 106）0. 34AI3 220 /j2 f

15、2LR（1/ j2 f C） 220 /j23.14501.51038 （1 / j23.145018106） 220 /j0.9428j176.616 1.25A總電流：I I1I2I3 0.690.341.25 2.28A亦即隔離變壓器在未接入被試設備時，由于耦合/去耦網(wǎng)絡的存在，隔離變壓器需要額外提供2.28A電流。對于220V系統(tǒng)來說，即使被試設備的容量暫不考慮，隔離變壓器的2.28220 503VA（相當于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)絡之前接調(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