隔离变压器在雷击浪涌抗扰度试验中的应用

隔离变压器在雷击浪涌抗扰度试验中的应用

国家标准GB/T 17626.5（等同采用IEC 61000-4-5）是浪涌抗扰度试验标准，这是几种最重要的抗扰度试验之一，凡是由电网供电的电子和电气设备只要有做抗扰度试验要求的几乎都需要做这种试验。

根据受试设备端口的类型，标准规定了两种类型的组合波发生器：一种是适合于将浪涌施加到交流或直流电源端口的低阻抗源（1.2/50μs组合波发生器），所产生开路电压的波前时间是1.2μs，开路电压的半峰值时间是50μs；短路电流的波前时间是8μs，短路电流的半峰值时间是20μs；发生器的等效内阻是2Ω。另一种则是适合于施加在通信线端口的高阻抗源（10/700μs组合波发生器）。在实际使用中，用在交流或直流电源端口的低阻抗源发生器是用得最多的一种发生器。

本文着重介绍了用在电源端口浪涌试验的耦合/去耦网络，以及为了配合电源线进行浪涌试验所采用的隔离变压器。

1　用于电源端口进行浪涌试验的耦合/去耦网络

为了要将浪涌信号从浪涌发生器施加到受试线路上去，必需要用到耦合/去耦网络，其中：

耦合网络是将信号能量从一个电路传送到另一个电路的电路。

去耦网络是用干防止施加在线路的的浪涌冲击影响其他不作试验的装置、设备和系统的电路。

为了叙述和分析的方便起，在图1和图2中分别给出了用在单相电源线路上进行试验的耦合/去耦网络实例。其中图1是适用于线-线耦合（差模耦合）的线路；图2是适用于线-地耦合（共模耦合）的线路。

与耦合/去耦网络的定义进行比对，可以清楚看出，差模耦合是采用18μF的电容器来实现，将浪涌信号从发生器的输出耦合到电源线的L和N之间。既然差模耦合是将发生器的输出经过耦合电容耦合到电源线路的一根线与另一根线之间，那么原则上将发生器的输出耦合到电源线的N和L之间也是允许的。

共模耦合是通过9μF＋10Ω线路来得以实现。发生器的一端接在保护地（PE）上，另一端则通过9μF＋10Ω线路接到L或N的其中一根线上。因此共模试验的浪涌信号是施加在电源线路（L或N）和地线（PE）之间。原则上浪涌信号同时施加在L和PE，以及N和PE之间是也被允许的。

去耦电路则由图1和图2方框中的电感和电容担任。从线路的布局可以看出，电感L兼有差模滤波和共模滤波的作用。三个去耦电容则各施其职，并联在L和N之间的担当差模滤波；并联在L和PE、N和PE之间的担当共模滤波。

去耦电路相对浪涌信号（含有丰富的高频成分）来说，能提供较高的阻抗，尽可能阻止了浪涌波形进入电网，与此同时，又允许工频和直流电源能够畅通地给被试设备供电。为了避免去耦网络引起被试设备侧的电源电压下降，在标准里初步规定了电感器的电感量，对额额定电流25A以下的，去耦电感不超过1.5mH。对于额定电流大于25A的，去耦电感的值应当适当减小。由于电感器的电感量有限，因此在标准里规定了发生器经过耦合/去耦网络之后的开路电压和短路电流的波形有允许变动的允许范围。

关于去耦电容器的电容量，在标准中并未给出参考数值，但是在标准中提到过两个要求：

“当被试设备没有连接时，在去耦网络电源端子上的残余浪涌电压不应超过所施允验试验电压的15%，或耦合/去耦网络额定电压峰值的两倍，两者之间取大者。

当被试设备没有连接时，且耦合/去耦网络输入端开路时，在未施加浪涌线路上的残余浪涌电压不应超过最大可施电压的15%。"

标准上的这两个要求可以认为是去耦电容器的选择依据。现在市面上大部分设备的这几个去耦电容都采用10μF的高压电容。

2　电源线耦合/去耦网络在浪涌试验中遇到的实际问题

    在进行电源线的浪涌试验时，遇到的实际问题主要有两个：① 试验室电源开关的跳闸问题。② 试验发生器的浮空问题。

① 试验室电源开关的跳闸问题

在试验室进行浪涌试验时，经常遇到的第一个问题是，在电源线耦合/去耦网络与试验室电源接通的一瞬间发生试验室电源开关的跳闸。当我们研究这些试验室的供电线路，发现这些试验室有一个共同的特点，即它们都采用了漏电保护开关。

已经说过，为了让图1和图2的单相耦合/去耦网络有比较好的去耦效果，图中三个去耦电容器的电容量实际都用到了10μF。其中经过L对PE这个电容所流通的电流将被试验室的漏电保护开关认作漏电流来进行处理，对220V系统来说，这个电流的值将达到：

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

远大于漏电保护开关的动作电流设定值（一般为30mA），所以实验室的漏电保护开关必跳无疑。

    解决试验室漏电保护开关跳闸的办法之一是，跳过漏电保护开关来接线，这个办法的最大缺点是试验室用电的安全性受到了影响。

② 试验发生器的浮空问题

在试验室进行浪涌试验时，经常遇到的第二个问题是试验发生器的浮空问题。

在GB/T 17626.5标准的“信号发生器的特征与性能"这一节（见标准6.1.1节）专门提出了要使用输出端浮地的信号发生器。这里所谓“浮地"，即是发生器的公共输出端（COM）与耦合/去耦网络的接地端子（PE）是浮空的，这主要是为了配合差模耦合的需要。

从图1可以看出，现在的发生器的公共输出端（COM）是与耦合/去耦网络的N这根线联在一起；发生器的输出（SURGE）经10μF的电容与耦合/去耦网络的L这根线联在一起，所以浪涌信号是加在电源线的L与N之间。

针对上述这种接线情况，如果发生器的输出不是浮地的，亦即发生器的COM端子与耦合/去耦网络的PE是相通的，那么相当于通过这种差模耦合的接线把N和PE短接了。由于正常情况下的N和PE的电位大体上是相等的，所以就这个试验来说，接线的危险性并不存在，试验尚可进行下去。

前面，我们在对差模耦合的分析中曾经指出“既然差模耦合是将发生器的输出经过耦合电容耦合到电源线路的一根线与另一根线之间，那么原则上将发生器的输出耦合到电源线的N和L之间也是允许的"。这时如果发生器的输不是浮地的（发生器的COM端子与耦合/去耦网络的PE是相通的），那么相当于通过现在这种差模耦合的接线把L和PE短接了。对于这种情况，可能出现的后果是，L和PE短路使试验室电源进线的熔断器熔断。如果不想出现这种情况，可以将浪涌试验设备的机壳浮起来（机壳不接试验室的保护地），但这样一来浪涌试验设备的机壳就和L线是等电位了，这对试验人员的安全性产生了威胁。

3　隔离变压器的应用

为了解决前面提到的两个浪涌试验中的麻烦点，采用隔离变压器（囹3）应该是一个比较好的解决方案。

隔离变压器是一个初、次级变比为1:1的变压器。由于次级和大地（PE）之间没有直接的接地关系，因此将图3的隔离变压器接到图1和图2的交流电源回路，即使在L、N和PE之间接有共模电容（见图4），在PE线中也不会有电流流入，电流仅在L’、N’线间流动。当次级的电流折合到初线，此电流也只是在初级的L、N间流动，绝不会构成让试验室漏电保护开关动作的漏电。因此，采用隔离变压器可以杜绝试验室漏电保护开关的误动作。

其次，由于变压器的次级与大地之间是浮空的，因此即使试验发生器的输出是不浮空的，无论差模耦合是将涌浪信号加在电源线的L’与N’之间，或者是N’和L’之间都不会造成试验设备的机壳带电，对于试验人员来说增加了试验中的方便性和安全性。

4　对隔离变压器容量的要求

由于浪涌试验的耦合/去耦网络采用的耦合电容和去耦电容的容量比较大，因此即使被试设备不接，隔离变压器的次级还是有比较大的电流流过，这一点是在选择适用的隔离变压器时必须注意的问题。最大电流发生在差模耦合的情况下，参看图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

总电流：

I ＝ I₁＋I₂＋I₃ ＝ 0.69＋0.34＋1.25 ＝ 2.28A

亦即隔离变压器在未接入被试设备时，由于耦合/去耦网络的存在，隔离变压器需要额外提供2.28A电流。对于220V系统来说，即使被试设备的容量暂不考虑，隔离变压器的2.28×220 ＝ 503VA（相当于0.5kVA）的无功功率也必须考虑。

5　隔离变压器容量的应用举例

较早考虑用隔离变压器开展浪涌抗扰度试验的例子是电子式电能表，由于电能表的参比电压有57.5V、100V、220V和380V等几种，为试验需要，常用的办法是耦合/去耦网络之前接调压器或固定抽头的隔离变压器（抽头的电压要符合电能表参比电压的要求）。早期的电能表生产企业由于没有考虑耦合/去耦网络的泄漏电流，而仅仅考虑电能表试验所需的参比电压，因而采用了容量较小的调压器（例如采用200VA的调压器）来进行试验，结果曾多次出现过调压器损毁的事故。后经过对耦合/去耦网络的特性进行了分析，纠正了对调压器和隔离度压器容量选择上的错误，电能表的浪涌抗扰度试验取得了很好的效果。