隔離變壓器在雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)中的應(yīng)用

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17626.5（等同采用IEC 61000-4-5）是浪涌抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，這是幾種最重要的抗擾度試驗(yàn)之一，凡是由電網(wǎng)供電的電子和電氣設(shè)備只要有做抗擾度試驗(yàn)要求的幾乎都需要做這種試驗(yàn)。

根據(jù)受試設(shè)備端口的類型，標(biāo)準(zhǔn)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（1.2/50μs組合波發(fā)生器），所產(chǎn)生開路電壓的波前時(shí)間是1.2μs，開路電壓的半峰值時(shí)間是50μs；短路電流的波前時(shí)間是8μs，短路電流的半峰值時(shí)間是20μs；發(fā)生器的等效內(nèi)阻是2Ω。另一種則是適合于施加在通信線端口的高阻抗源（10/700μs組合波發(fā)生器）。在實(shí)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。

本文著重介紹了用在電源端口浪涌試驗(yàn)的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)，以及為了配合電源線進(jìn)行浪涌試驗(yàn)所采用的隔離變壓器。

1　用于電源端口進(jìn)行浪涌試驗(yàn)的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)

為了要將浪涌信號(hào)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(luò)，其中：

耦合網(wǎng)絡(luò)是將信號(hào)能量從一個(gè)電路傳送到另一個(gè)電路的電路。

去耦網(wǎng)絡(luò)是用干防止施加在線路的的浪涌沖擊影響其他不作試驗(yàn)的裝置、設(shè)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(jìn)行試驗(yàn)的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(luò)的定義進(jìn)行比對(duì)，可以清楚看出，差模耦合是采用18μF的電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)，將浪涌信號(hào)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(guò)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(guò)9μF＋10Ω線路來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。發(fā)生器的一端接在保護(hù)地（PE）上，另一端則通過(guò)9μF＋10Ω線路接到L或N的其中一根線上。因此共模試驗(yàn)的浪涌信號(hào)是施加在電源線路（L或N）和地線（PE）之間。原則上浪涌信號(hào)同時(shí)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(dān)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(gè)去耦電容則各施其職，并聯(lián)在L和N之間的擔(dān)當(dāng)差模濾波；并聯(lián)在L和PE、N和PE之間的擔(dān)當(dāng)共模濾波。

去耦電路相對(duì)浪涌信號(hào)（含有豐富的高頻成分）來(lái)說(shuō)，能提供較高的阻抗，盡可能阻止了浪涌波形進(jìn)入電網(wǎng)，與此同時(shí)，又允許工頻和直流電源能夠暢通地給被試設(shè)備供電。為了避免去耦網(wǎng)絡(luò)引起被試設(shè)備側(cè)的電源電壓下降，在標(biāo)準(zhǔn)里初步規(guī)定了電感器的電感量，對(duì)額額定電流25A以下的，去耦電感不超過(guò)1.5mH。對(duì)于額定電流大于25A的，去耦電感的值應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減小。由于電感器的電感量有限，因此在標(biāo)準(zhǔn)里規(guī)定了發(fā)生器經(jīng)過(guò)耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)之后的開路電壓和短路電流的波形有允許變動(dòng)的允許范圍。

關(guān)于去耦電容器的電容量，在標(biāo)準(zhǔn)中并未給出參考數(shù)值，但是在標(biāo)準(zhǔn)中提到過(guò)兩個(gè)要求：

“當(dāng)被試設(shè)備沒(méi)有連接時(shí)，在去耦網(wǎng)絡(luò)電源端子上的殘余浪涌電壓不應(yīng)超過(guò)所施允驗(yàn)試驗(yàn)電壓的15%，或耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)額定電壓峰值的兩倍，兩者之間取大者。

當(dāng)被試設(shè)備沒(méi)有連接時(shí)，且耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)輸入端開路時(shí)，在未施加浪涌線路上的殘余浪涌電壓不應(yīng)超過(guò)最大可施電壓的15%。"

標(biāo)準(zhǔn)上的這兩個(gè)要求可以認(rèn)為是去耦電容器的選擇依據(jù)。現(xiàn)在市面上大部分設(shè)備的這幾個(gè)去耦電容都采用10μF的高壓電容。

2　電源線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)在浪涌試驗(yàn)中遇到的實(shí)際問(wèn)題

    在進(jìn)行電源線的浪涌試驗(yàn)時(shí)，遇到的實(shí)際問(wèn)題主要有兩個(gè)：① 試驗(yàn)室電源開關(guān)的跳閘問(wèn)題。② 試驗(yàn)發(fā)生器的浮空問(wèn)題。

① 試驗(yàn)室電源開關(guān)的跳閘問(wèn)題

在試驗(yàn)室進(jìn)行浪涌試驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常遇到的第一個(gè)問(wèn)題是，在電源線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)與試驗(yàn)室電源接通的一瞬間發(fā)生試驗(yàn)室電源開關(guān)的跳閘。當(dāng)我們研究這些試驗(yàn)室的供電線路，發(fā)現(xiàn)這些試驗(yàn)室有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即它們都采用了漏電保護(hù)開關(guān)。

已經(jīng)說(shuō)過(guò)，為了讓圖1和圖2的單相耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)有比較好的去耦效果，圖中三個(gè)去耦電容器的電容量實(shí)際都用到了10μF。其中經(jīng)過(guò)L對(duì)PE這個(gè)電容所流通的電流將被試驗(yàn)室的漏電保護(hù)開關(guān)認(rèn)作漏電流來(lái)進(jìn)行處理，對(duì)220V系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)電流的值將達(dá)到：

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

遠(yuǎn)大于漏電保護(hù)開關(guān)的動(dòng)作電流設(shè)定值（一般為30mA），所以實(shí)驗(yàn)室的漏電保護(hù)開關(guān)必跳無(wú)疑。

    解決試驗(yàn)室漏電保護(hù)開關(guān)跳閘的辦法之一是，跳過(guò)漏電保護(hù)開關(guān)來(lái)接線，這個(gè)辦法的最大缺點(diǎn)是試驗(yàn)室用電的安全性受到了影響。

② 試驗(yàn)發(fā)生器的浮空問(wèn)題

在試驗(yàn)室進(jìn)行浪涌試驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常遇到的第二個(gè)問(wèn)題是試驗(yàn)發(fā)生器的浮空問(wèn)題。

在GB/T 17626.5標(biāo)準(zhǔn)的“信號(hào)發(fā)生器的特征與性能"這一節(jié)（見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)6.1.1節(jié)）專門提出了要使用輸出端浮地的信號(hào)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(luò)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（COM）是與耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的N這根線聯(lián)在一起；發(fā)生器的輸出（SURGE）經(jīng)10μF的電容與耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的L這根線聯(lián)在一起，所以浪涌信號(hào)是加在電源線的L與N之間。

針對(duì)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(luò)的PE是相通的，那么相當(dāng)于通過(guò)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(gè)試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，接線的危險(xiǎn)性并不存在，試驗(yàn)尚可進(jìn)行下去。

前面，我們?cè)趯?duì)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(guò)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"。這時(shí)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(luò)的PE是相通的），那么相當(dāng)于通過(guò)現(xiàn)在這種差模耦合的接線把L和PE短接了。對(duì)于這種情況，可能出現(xiàn)的后果是，L和PE短路使試驗(yàn)室電源進(jìn)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(yàn)設(shè)備的機(jī)殼浮起來(lái)（機(jī)殼不接試驗(yàn)室的保護(hù)地），但這樣一來(lái)浪涌試驗(yàn)設(shè)備的機(jī)殼就和L線是等電位了，這對(duì)試驗(yàn)人員的安全性產(chǎn)生了威脅。

3　隔離變壓器的應(yīng)用

為了解決前面提到的兩個(gè)浪涌試驗(yàn)中的麻煩點(diǎn)，采用隔離變壓器（囹3）應(yīng)該是一個(gè)比較好的解決方案。

隔離變壓器是一個(gè)初、次級(jí)變比為1:1的變壓器。由于次級(jí)和大地（PE）之間沒(méi)有直接的接地關(guān)系，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(jiàn)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(dòng)。當(dāng)次級(jí)的電流折合到初線，此電流也只是在初級(jí)的L、N間流動(dòng)，絕不會(huì)構(gòu)成讓試驗(yàn)室漏電保護(hù)開關(guān)動(dòng)作的漏電。因此，采用隔離變壓器可以杜絕試驗(yàn)室漏電保護(hù)開關(guān)的誤動(dòng)作。

其次，由于變壓器的次級(jí)與大地之間是浮空的，因此即使試驗(yàn)發(fā)生器的輸出是不浮空的，無(wú)論差模耦合是將涌浪信號(hào)加在電源線的L’與N’之間，或者是N’和L’之間都不會(huì)造成試驗(yàn)設(shè)備的機(jī)殼帶電，對(duì)于試驗(yàn)人員來(lái)說(shuō)增加了試驗(yàn)中的方便性和安全性。

4　對(duì)隔離變壓器容量的要求

由于浪涌試驗(yàn)的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)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(shè)備不接，隔離變壓器的次級(jí)還是有比較大的電流流過(guò)，這一點(diǎn)是在選擇適用的隔離變壓器時(shí)必須注意的問(wèn)題。最大電流發(fā)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(shè)備時(shí)，由于耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的存在，隔離變壓器需要額外提供2.28A電流。對(duì)于220V系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，即使被試設(shè)備的容量暫不考慮，隔離變壓器的2.28×220 ＝ 503VA（相當(dāng)于0.5kVA）的無(wú)功功率也必須考慮。

5　隔離變壓器容量的應(yīng)用舉例

較早考慮用隔離變壓器開展浪涌抗擾度試驗(yàn)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(yàn)需要，常用的辦法是耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)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電壓的要求）。早期的電能表生產(chǎn)企業(yè)由于沒(méi)有考慮耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的泄漏電流，而僅僅考慮電能表試驗(yàn)所需的參比電壓，因而采用了容量較小的調(diào)壓器（例如采用200VA的調(diào)壓器）來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果曾多次出現(xiàn)過(guò)調(diào)壓器損毀的事故。后經(jīng)過(guò)對(duì)耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的特性進(jìn)行了分析，糾正了對(duì)調(diào)壓器和隔離度壓器容量選擇上的錯(cuò)誤，電能表的浪涌抗擾度試驗(yàn)取得了很好的效果。