1 前言

為了真實(shí)模擬設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中可能遇到的雷擊或開關(guān)切換瞬變?cè)斐傻碾妷夯螂娏骼擞?，評(píng)價(jià)電子電氣設(shè)備對(duì)雷擊浪涌的抗擾度水平，標(biāo)準(zhǔn)要求受試設(shè)備(EUT)要在規(guī)定的帶電(DC或AC供電電源)工作狀態(tài)下，用能產(chǎn)生1.2/50us開路電壓波和8/20us短路電流波的組合波信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)，以檢驗(yàn)被測(cè)設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的抗干擾能力。本文通過(guò)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，介紹了雷擊浪涌測(cè)試設(shè)備的主要組成部分及其工作原理，并搭建雷擊浪涌的測(cè)試平臺(tái)并分析不同耦合方式之間的差異。

2 浪涌波形定義

GB 17626.5-2019給出了一種在實(shí)際測(cè)試工作中更具可操作性的波形和參數(shù)定義，如圖1、圖2所示。

圖1 未連接CDN的發(fā)生器輸出端的開路電壓波形(1.2/50us)

其中Tw為持續(xù)時(shí)間，定義為電壓波形在上升沿和下降沿分別為50%峰值電壓之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間，T為波前時(shí)間，定義為電壓波形上升沿在30%峰值電壓和90% 峰值電壓之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間：

波前時(shí)間:Tf=1.67×T=1.2×(1±30%)μs，1.67為0.9和0.3閾值只差的倒數(shù)。

持續(xù)時(shí)間:Td=Tw=50×(1±20%)μs

圖2 未連接CDN的發(fā)生器輸出端的短路電流波形(8/20us)

短路電流的波形參數(shù)依然為波前時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，定義和開路電壓一致，不再贅述，標(biāo)準(zhǔn)定義：

波前時(shí)間: Tf=1.25×Tr=8×(1±20%)μs，1.25為0.9和0.1閾值只差的倒數(shù)。

持續(xù)時(shí)間: Td=1.18×Tw=20×(1±20%)μs，1.18為經(jīng)驗(yàn)值。

而對(duì)于(10/700)μs–(5/320)μs波形來(lái)說(shuō)，由于此波形只用于直連到戶外通訊網(wǎng)絡(luò)的同步互聯(lián)線纜，適用范圍小。所以標(biāo)準(zhǔn)把此波形的定義放入附錄A中，如圖3、圖4所示.

圖3 開路電壓波形(10/700us)

其中Tw為持續(xù)時(shí)間，定義為電流波形在上升沿和下降沿分別為50%峰值電流之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間，T為波前時(shí)間，定義為電流波形上升沿在30%峰值電壓和90%峰值電流之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間：波形峰值50%~50%經(jīng)過(guò)的時(shí)間，T為波前脈沖峰值30~90%經(jīng)過(guò)的時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)定義：

波前時(shí)間:Tf=1.67×T=10×(1±30%)μs

持續(xù)時(shí)間:Td=Tw=700×(1±20%)μs

圖4 短路電流波形(5/320us)

短路電流的波形參數(shù)依然為波前時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，定義和開路電壓一致，不再贅述，標(biāo)準(zhǔn)定義：

波前時(shí)間: Tf=1,25×Tr=5×(1±20%)μs

持續(xù)時(shí)間: Td=Tw=320×(1±20%)μs

3 浪涌(沖擊)測(cè)試系統(tǒng)

浪涌(沖擊)測(cè)試系統(tǒng)主要是由浪涌信號(hào)發(fā)生器和耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。為了生成符合標(biāo)準(zhǔn)定義的雷擊浪涌信號(hào)波形，在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17626.5-2019中對(duì)于組合波發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定。

3.1 浪涌信號(hào)發(fā)生器

在整個(gè)浪涌測(cè)試系統(tǒng)中，浪涌組合波發(fā)生器是*關(guān)鍵的部件，它的主要功能是負(fù)責(zé)產(chǎn)生浪涌波形。在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17626.5-2019中有浪涌組合波發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)，圖5為(1.2/50)μs-(8/20)μs波形發(fā)生器的電路原理圖：

圖5 組合波發(fā)生器的電路原理圖(1.2/50μs-8/20μs)

如圖5的(1.2/50)μs-(8/20)μs波形發(fā)生器的電路原理圖所示，浪涌發(fā)生器的電路是由兩個(gè)部分構(gòu)成，分別為充電回路和脈沖形成回路。充電回路的電路由高壓發(fā)生器 U、充電電阻Rc和儲(chǔ)能電容Cc組成，脈沖形成回路的電路由脈沖持續(xù)時(shí)間調(diào)節(jié)電阻RS1、RS2、阻抗匹配電阻Rm和調(diào)節(jié)上升時(shí)間形成的電感Lr組成。

工作原理為：當(dāng)開關(guān)處于斷開狀態(tài)，此時(shí)電路會(huì)通過(guò)RC、CC充電回路對(duì)儲(chǔ)能電容Cc進(jìn)行充電。在儲(chǔ)能電容Cc 儲(chǔ)滿需要的電壓電量后，主電路開關(guān)閉合并形成放電回路。在開關(guān)閉合初始一段時(shí)間，儲(chǔ)能電容Cc向Rm、Lr和RS2進(jìn)行放電，此時(shí)在RS2兩端測(cè)得的雷擊浪涌電壓波形正處于波形的上升狀態(tài)，在這段時(shí)間電感Lr在脈沖電路中也起到了儲(chǔ)能作用，隨著儲(chǔ)能電容Cc的電量慢慢減少，電感Lr和電容Cc同時(shí)對(duì)電阻RS1、Rm和RS2放電，此時(shí)RS2兩端測(cè)得的雷擊浪涌電壓波形由峰值開始下降。電阻Rm則保證了整個(gè)發(fā)生器的內(nèi)阻為2Ω，*終即可得到所要求的(1.2/50)μs-(8/20)μs雷擊浪涌波形。

同樣，圖6為(10/700)μs-(5/320)μs波形發(fā)生器的電路原理圖：

圖6 組合波發(fā)生器的電路原理圖(10/700μs-5/320μs)

如圖6的(10/700)μs-(5/320)μs波形發(fā)生器的電路原理圖所示，浪涌發(fā)生器的電路同樣分為充電回路和脈沖形成回路。充電回路的電路由高壓發(fā)生器U、充電電阻Rc和儲(chǔ)能電容Cc構(gòu)成，脈沖形成回路的電路由脈沖持續(xù)時(shí)間調(diào)節(jié)電阻RS、Rm1、Rm2和調(diào)節(jié)上升時(shí)間的電容Cs組成，開關(guān)S1閉合時(shí)，使用外部匹配阻抗。

充電回路的工作原理和(1.2/50)μs-(8/20)μs波形發(fā)生器的電路原理相同，脈沖形成回路的工作原理略有區(qū)別，由于(10/700)μs 波形的上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間大大長(zhǎng)于(1.2/50)μs波形，故使用了電容Cs用來(lái)代替電感Lr。同時(shí)內(nèi)置阻抗Rm1按照標(biāo)準(zhǔn)要求改為15Ω，內(nèi)置阻抗Rm2為25Ω，此時(shí)發(fā)生器內(nèi)阻為40Ω，需注意的是，當(dāng)開關(guān)S1閉合時(shí)電阻Rm2被短路跳開，此時(shí)可以使用外部匹配電阻。*終即可得到所要求的(10/700)μs-(5/320)μs浪涌波形。

3.2 耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)

雷擊浪涌耦合去耦網(wǎng)絡(luò)按照其工作原理可以分為耦合網(wǎng)絡(luò)部分和去耦網(wǎng)絡(luò)部分。耦合網(wǎng)絡(luò)的作用是將組合波發(fā)生器的浪涌信號(hào)傳送到被測(cè)設(shè)備上，限制從被測(cè)設(shè)備的電源線流入組合波發(fā)生器的電流對(duì)發(fā)生器本體造成破壞，減小對(duì)浪涌波形的影響。去耦網(wǎng)絡(luò)的作用是為浪涌信號(hào)提供足夠的去耦阻抗，避免浪涌信號(hào)竄入電網(wǎng)對(duì)由同一電源供電的非受試設(shè)備產(chǎn)生不利影響。此外，連接到同一電源的其他設(shè)備可能含有防雷器件，在不使用去耦網(wǎng)絡(luò)的情況下，非受試設(shè)備上防雷器件會(huì)阻止EUT上浪涌的施加及影響浪涌試驗(yàn)結(jié)果。

雷擊浪涌的耦合去耦網(wǎng)絡(luò)根據(jù)適用范圍可以分為：電源線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)，其中電源線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)包含單相交流或直流耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)、三相交流耦合/去耦網(wǎng)絡(luò);互聯(lián)線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)包含非屏蔽非對(duì)稱耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)、非屏蔽對(duì)稱耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)。

一般浪涌信號(hào)耦合到EUT上的方式有電容耦合和氣體放電管耦合，其中后者對(duì)組合波發(fā)生器的輸出波形影響較明顯，故使用電容耦合較多。若選用小的耦合電容值，則電源側(cè)殘余浪涌電壓較低，但產(chǎn)生沖擊電流的效率較低;若選用大的耦合電容值，則耦合到EUT效率較高，但殘余電壓較高。為兼顧輸出效率和殘余電壓?jiǎn)栴}，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定線-線耦合(差模方式)采用18uF的電容，線-地耦合(共模方式) 采用9uF的電容。電源線耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)中網(wǎng)絡(luò)端口的波形參數(shù)要求，其去耦網(wǎng)絡(luò)部分提供了一個(gè)相對(duì)雷擊浪涌波來(lái)說(shuō)較高的阻抗，同時(shí)這個(gè)阻抗又不能影響受試設(shè)備的正常供電。耦合網(wǎng)絡(luò)部分的耦合元器件使用高壓電容，它的作用和去耦網(wǎng)絡(luò)的剛好相反，需要使得雷擊浪涌波形能夠完整的通過(guò)。同樣的，信號(hào)線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)也應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)中網(wǎng)絡(luò)端口的波形參數(shù)要求，其耦合元件可以是電容、鉗位器或避雷器。

在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的產(chǎn)品來(lái)選擇相對(duì)應(yīng)的耦合去耦網(wǎng)絡(luò)，其選擇方法見圖7：

圖7 耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的選擇

在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17626.5-2019中給出了耦合去耦網(wǎng)絡(luò) 的電路拓?fù)鋱D，圖8至圖11分別為單相/直流電源耦合去耦網(wǎng)絡(luò)線對(duì)線耦合、單相/直流電源耦合去耦網(wǎng)絡(luò)線對(duì)地耦合、三相電源耦合去耦網(wǎng)絡(luò)線對(duì)線耦合和三相電源耦合去耦網(wǎng)絡(luò)線對(duì)地耦合。

圖8 用于交/直流線上的線-線耦合

圖9 用于交/直流線上的線-地耦合

圖10 用于三相交流線上的線-線耦合

圖11 用于三相交流線上的線-地耦合

從以圖8至圖11中可以看到，不論是單相還是三相電源耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)，去耦網(wǎng)絡(luò)部分的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一致的。其結(jié)構(gòu)為線與線之間的去耦電容C和每根線上的去耦電感L組成的LC低通濾波器。

去耦電感L的選取不宜太大，否則既會(huì)使耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)上有較大的電壓壓降，又會(huì)造成電感體積龐大，給生產(chǎn)制造和安裝帶來(lái)不便。一般來(lái)說(shuō)，為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的：“耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生的壓降在額定電流情況下不超過(guò)耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)輸入電壓的10%”。以被測(cè)品每相額定電流≤200A計(jì)，L值應(yīng)≤1.5mH，當(dāng)額定電流>200A 時(shí)，L值如圖12所示。

圖12 額定電流大于200A的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)中去耦線上的感抗值

對(duì)于耦合網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，由于耦合方式所模擬的實(shí)際情況不同，其分為線-線和線-地兩種情況。由于低壓電網(wǎng)對(duì)地的源阻抗為12Ω，對(duì)于虛擬阻抗(定義為開路電壓峰值與短路電流峰值之比)為2Ω的組合波發(fā)生器，在進(jìn)行線-地耦合時(shí)，故需要另外再串聯(lián)10Ω的附加電阻，以增加有效源阻抗。

所有的電源線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)僅適用于(1.2/50)μs-(8/20)μs 雷擊浪涌波形。

圖 13至圖15分別為非屏蔽不對(duì)稱互連線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)、非屏蔽對(duì)稱互連線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)和非屏蔽戶外對(duì)稱通信線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)。

圖13 非屏蔽不對(duì)稱互連線的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)

圖14 非屏蔽對(duì)稱互連線的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)

圖15 非屏蔽戶外對(duì)稱通信線的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)

在GB/T 17626.5-2019中分為：

1)非屏蔽不對(duì)稱互連線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)中(如圖13所示)，R=40Ω，CD為0.5uF電容和氣體放電管;

2)使用(1.2/50)μs組合波發(fā)生器時(shí)，非屏蔽對(duì)稱互連線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)中(如圖14所示)，Rc=n×40Ω，n為互連線導(dǎo)線根數(shù)，CD可以是電容、氣體放電管、鉗位器、雪崩裝置或任何允許受試設(shè)備正常傳輸數(shù)據(jù)，并同時(shí)滿足規(guī)定的浪涌波形參數(shù);

3)使用(10/700)μs組合波發(fā)生器時(shí)，非屏蔽戶外對(duì)稱通信線耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)中(如圖15所示)，Rc=25Ω，CD 為0.5μF電容和氣體放電管。

4 浪涌測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)配置及試驗(yàn)過(guò)程要求

4.1 試驗(yàn)配置

在標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于進(jìn)行浪涌的測(cè)試時(shí)所需要注意的事項(xiàng)、測(cè)試布置和測(cè)試 程序都有著明確要求，雷擊浪涌測(cè)試系統(tǒng)的試驗(yàn)配置主要包括以下設(shè)備：

ü 被測(cè)設(shè)備

ü 輔助設(shè)備(需要時(shí))

ü 電纜(規(guī)定的類型和長(zhǎng)度)

ü 耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)

ü 組合波發(fā)生器

ü 參考接地平面

圖16~圖18分別為電源端口、非屏蔽互連線端口及屏蔽互連線的浪涌試驗(yàn)配置圖。

圖16 電源端口浪涌試驗(yàn)配置圖

圖17非屏蔽互連線端口浪涌試驗(yàn)配置圖

圖18屏蔽互連線的浪涌試驗(yàn)配置圖