隔離變壓器在（zài）雷擊浪湧抗擾度試驗中的應用

隔離變壓器在雷擊浪湧抗擾（rǎo）度試驗中的（de）應用

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

根據受試設備端口的（de）類（lèi）型，標準規定了兩種類型的組合波發生器：一種是適（shì）合於將浪湧施加到交流或直流電源端口（kǒu）的低阻抗源（yuán）（1.2/50μs組（zǔ）合波發生器），所產生（shēng）開路電壓的波（bō）前時間是1.2μs，開路電壓的半峰值時間是50μs；短路電流（liú）的波前（qián）時間是8μs，短（duǎn）路電流的半峰（fēng）值時間是20μs；發生器的等效內阻是2Ω。另一種則是適合於施加（jiā）在（zài）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（zài）交流或直流電源（yuán）端口的（de）低阻抗源發（fā）生器是用得最多的一種發生器。

本文著重介（jiè）紹（shào）了用在電源端口浪湧試驗的耦合/去耦網絡，以及為了（le）配合電源線進行浪（làng）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（wǎng）絡

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

耦合網絡是將信號能量從一個電路傳送（sòng）到另一個電路的電路。

去耦網絡是用幹防止施（shī）加在線路的（de）的浪湧衝擊影響其他不作試驗（yàn）的裝置、設備和係統的（de）電路。

為了敘述和分（fèn）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（lù）上進行（háng）試驗的耦合/去耦網絡實例。其中（zhōng）圖1是適（shì）用於線-線耦合（差模耦合）的線路；圖2是適用（yòng）於線-地耦合（共模（mó）耦合）的線路。

與耦合/去耦網絡的定義進行比對，可以清楚看出，差（chà）模耦合是采用18μF的電容器來實（shí）現，將浪湧信號從發生器的輸出（chū）耦合到電源（yuán）線的L和N之間。既然差模耦合是將發生器的（de）輸出（chū）經過耦（ǒu）合電容耦合到電源線路的一根線與（yǔ）另（lìng）一根線之間，那麽原則上將發生器的輸（shū）出耦合到電源線的N和L之間也是允許的。

共（gòng）模耦合是通過9μF＋10Ω線路來得以實現（xiàn）。發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（huò）N的其中一根線上。因此共模試（shì）驗（yàn）的浪湧信號是施加（jiā）在電源線路（L或N）和地線（PE）之間。原則上浪湧信號同時施加在L和PE，以及N和PE之間是也被（bèi）允許的。

去耦電路則由（yóu）圖1和圖2方框中的電感和電容擔任。從（cóng）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（gè）去耦電容則各施其職，並聯在L和N之（zhī）間的（de）擔當差模濾波；並聯在L和PE、N和PE之間的擔當（dāng）共模濾波。

去耦電路相對浪湧信號（含有豐富的高頻成分（fèn））來說，能提供較高的阻抗，盡可能阻（zǔ）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（gòu）暢通地給被試（shì）設備供電。為了（le）避免去耦網絡引起被（bèi）試設備側的電源電壓下降，在標準裏初步（bù）規（guī）定了電感器的電感量，對額額定（dìng）電流（liú）25A以下的，去耦（ǒu）電感不超過1.5mH。對（duì）於額定電流大於25A的（de），去耦電感的值應當適當減小。由於電感器的電感量有限，因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壓和短路電流的波形有允許變動的允許範（fàn）圍（wéi）。

關於去（qù）耦電容器的電容量，在（zài）標準中並未（wèi）給出參考數值，但是在標準中提到過兩個要求：

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

當被試設備沒有（yǒu）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（shàng）的殘餘浪湧電壓（yā）不應超過最大可施（shī）電壓的15%。"

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

2　電源線耦合/去耦網絡在浪湧試驗中（zhōng）遇到（dào）的實際問題

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

① 試驗室電源開關的跳閘問題

在試驗室進行浪湧試驗時，經常遇到的第一個問題（tí）是，在電源線耦合/去耦網絡與試驗室電源接通的（de）一瞬間發生試驗室電（diàn）源開關的跳閘。當（dāng）我（wǒ）們研究這些試驗室的供電線路，發現這些（xiē）試驗室有一個共同的特點，即它們都采用了（le）漏電保護開關。

已經說（shuō）過（guò），為了讓圖1和圖2的單相耦合/去耦網絡有比較好的去耦（ǒu）效果，圖中三個去耦電容器的電容量（liàng）實際（jì）都用到了10μF。其（qí）中經過L對PE這個（gè）電容所流通的電流將被試驗（yàn）室（shì）的漏（lòu）電保護開關認作漏電流來進行處理，對220V係統來說，這個電流的值將達到（dào）：

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

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

    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（guān）來接（jiē）線，這個辦法的最（zuì）大缺點是試驗室用電的安全性受到了影響。

② 試驗發生器的浮空問題

在試驗室進行（háng）浪湧試驗時（shí），經常遇到的第二（èr）個問（wèn）題是試驗發生（shēng）器的浮空問題。

在GB/T 17626.5標準的“信號發生器的特（tè）征與性（xìng）能"這一（yī）節（見標準6.1.1節）專門提出了要使用輸出端浮地的信號發生器。這（zhè）裏所（suǒ）謂“浮（fú）地"，即是發（fā）生器的公共輸出（chū）端（COM）與耦合/去耦網絡的（de）接地端子（PE）是浮空的，這主要是為了配合差模耦合（hé）的需要。

從圖1可以看出（chū），現在（zài）的發（fā）生（shēng）器的公（gōng）共輸出（chū）端（COM）是與（yǔ）耦合/去耦網絡的N這根線聯（lián）在一（yī）起；發生器（qì）的輸出（SURGE）經10μF的電容與耦合/去耦網絡的（de）L這根線聯在（zài）一起，所以浪（làng）湧信（xìn）號是加在電（diàn）源線（xiàn）的L與N之間。

針對上述這（zhè）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是相通的，那麽相當於通（tōng）過這種差模（mó）耦合的接線把N和PE短（duǎn）接了（le）。由（yóu）於正常情況下的（de）N和（hé）PE的電（diàn）位（wèi）大體上是相等的，所以就這個（gè）試驗來說，接線的危險性並不（bú）存在，試（shì）驗尚可進行下去。

前（qián）麵，我（wǒ）們在對差模耦合的（de）分析中曾經指出“既然差（chà）模耦合是將發（fā）生器的輸出經過耦合電容耦合到電源線路的一（yī）根線與另一根（gēn）線（xiàn）之間，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"。這時如果發生器的輸不是浮地的（發生器的COM端子與耦合/去耦網絡（luò）的PE是相通的），那麽相當於通過現在這種差模耦合的接線把（bǎ）L和（hé）PE短接了。對於（yú）這種情況，可能（néng）出現的（de）後果是，L和PE短路使試驗室（shì）電源進線（xiàn）的熔斷（duàn）器熔斷。如果不想出現這種情況，可以將浪湧試（shì）驗設備的機（jī）殼浮起來（機殼（ké）不接試驗室的保護地），但（dàn）這樣一來浪湧試驗設備（bèi）的機殼（ké）就（jiù）和L線是等電位了，這對試（shì）驗人員的安全性（xìng）產生了威脅（xié）。

3　隔離變壓器的應用（yòng）

為了解決前麵提到的兩個（gè）浪湧試（shì）驗中的麻煩點，采用隔離變壓器（囹3）應該是一個（gè）比較好的解決方案。

隔離變壓器是一個初、次（cì）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（dào）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（tú）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（chū）線，此電流也隻是在（zài）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（cǎi）用隔離變壓器可以杜絕試驗室（shì）漏電（diàn）保護（hù）開關的誤動作。

其次，由於變壓器的次級與（yǔ）大地之間是（shì）浮空（kōng）的（de），因此即使試驗發生器的輸出是不浮空的（de），無論差模耦合（hé）是（shì）將湧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，對於試驗人（rén）員來說增加了試驗中的方便性和安全性。

4　對隔離變壓器（qì）容（róng）量的要求

由於浪湧試驗的（de）耦合/去耦網絡采用（yòng）的耦合電容和去耦電容的（de）容量比較大（dà），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（zài）選擇適用的隔離變壓器時（shí）必（bì）須注意的（de）問題（tí）。最大電流發生在差模耦合的情況下（xià），參看（kàn）圖5所（suǒ）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，由於耦合/去耦網絡（luò）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，即使被試設備的容量暫（zàn）不考慮，隔（gé）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（lí）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（shì）驗的例（lì）子是電子式電能表，由於電能表的參比電壓有57.5V、100V、220V和380V等幾種，為（wéi）試驗需要，常用的辦法是耦合/去耦網絡之前接調壓器（qì）或固定抽（chōu）頭的隔離變（biàn）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）企業由於（yú）沒有考（kǎo）慮耦合/去耦網絡的泄漏電流，而僅（jǐn）僅（jǐn）考慮電能表試驗所需的參比電壓，因而采用了（le）容量較小的調壓器（例如采用200VA的調（diào）壓器）來進行試驗，結果曾多次出現過調壓器損毀的事故。後經過對耦（ǒu）合/去耦網絡的特（tè）性進行了分析，糾正了（le）對調壓器和隔離度壓器容量選擇上的錯誤，電（diàn）能表的浪湧抗擾度試驗取得了很好的（de）效果。