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隔離變壓器在雷擊浪涌抗擾度試驗中的應(yīng)用

時間:2021/11/17閱讀:2988
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隔離變壓器在雷擊浪涌抗擾度試驗中的應(yīng)用

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17626.5(等同采用IEC 61000-4-5)是浪涌抗擾度試驗標(biāo)準(zhǔn),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(shè)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(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間是1.2μs,,開路電壓的半峰值時間是50μs,;短路電流的波前時間是8μs,短路電流的半峰值時間是20μs,;發(fā)生器的等效內(nèi)阻是,。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)行浪涌試驗所采用的隔離變壓器,。

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

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(luò),其中:

耦合網(wǎng)絡(luò)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(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)行試驗的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)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(luò)的定義進(jìn)行比對,,可以清楚看出,差模耦合是采用18μF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LN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NL之間也是允許的,。

共模耦合是通過9μF10Ω線路來得以實現(xiàn),。發(fā)生器的一端接在保護(hù)地(PE)上,,另一端則通過9μF10Ω線路接到LN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(LN)和地線(PE)之間,。原則上浪涌信號同時施加在LPE,,以及NPE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。三個去耦電容則各施其職,,并聯(lián)在LN之間的擔(dān)當(dāng)差模濾波,;并聯(lián)在LPENPE之間的擔(dān)當(dāng)共模濾波,。

1.jpg

2.jpg 

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(jìn)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(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(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)中提到過兩個要求:

當(dāng)被試設(shè)備沒有連接時,,在去耦網(wǎng)絡(luò)電源端子上的殘余浪涌電壓不應(yīng)超過所施允驗試驗電壓的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)備沒有連接時,且耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)輸入端開路時,,在未施加浪涌線路上的殘余浪涌電壓不應(yīng)超過最大可施電壓的15%,。"

標(biāo)準(zhǔn)上的這兩個要求可以認(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)在浪涌試驗中遇到的實際問題

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

試驗室電源開關(guān)的跳閘問題

在試驗室進(jìn)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(luò)與試驗室電源接通的一瞬間發(fā)生試驗室電源開關(guān)的跳閘。當(dāng)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(hù)開關(guān)。

已經(jīng)說過,,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,,圖中三個去耦電容器的電容量實際都用到了10μF。其中經(jīng)過LPE這個電容所流通的電流將被試驗室的漏電保護(hù)開關(guān)認(rèn)作漏電流來進(jìn)行處理,,對220V系統(tǒng)來說,,這個電流的值將達(dá)到:

I 220 /1 /2 π f C)]= 220×2×3.14×50×10×106)= 0. 69A

 

遠(yuǎn)大于漏電保護(hù)開關(guān)的動作電流設(shè)定值(一般為30mA),所以實驗室的漏電保護(hù)開關(guān)必跳無疑,。

    解決試驗室漏電保護(hù)開關(guān)跳閘的辦法之一是,,跳過漏電保護(hù)開關(guān)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(jìn)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,。

GB/T 17626.5標(biāo)準(zhǔn)的信號發(fā)生器的特征與性能"這一節(jié)(見標(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,,所以浪涌信號是加在電源線的LN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(luò)的PE是相通的,那么相當(dāng)于通過這種差模耦合的接線把NPE短接了,。由于正常情況下的NPE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(jìn)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NL之間也是允許的",。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(luò)的PE是相通的),那么相當(dāng)于通過現(xiàn)在這種差模耦合的接線把LPE短接了,。對于這種情況,,可能出現(xiàn)的后果是,,LPE短路使試驗室電源進(jìn)線的熔斷器熔斷。如果不想出現(xiàn)這種情況,,可以將浪涌試驗設(shè)備的機殼浮起來(機殼不接試驗室的保護(hù)地),,但這樣一來浪涌試驗設(shè)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(yīng)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(yīng)該是一個比較好的解決方案。

3.jpg

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(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,、NPE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(dāng)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(gòu)成讓試驗室漏電保護(hù)開關(guān)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(hù)開關(guān)的誤動作。

4.jpg

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’N’之間,,或者是N’L’之間都不會造成試驗設(shè)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。 

5.jpg




圖中可見,,隔離變壓器的次級電流由I1,、I2I3三路組成,其中:

I1 220 /1 /2 π f C)]= 220 ×2×3.14×50×10×106)= 0. 69A

I2 220 /1 /2 π f C/2)]= 220 ×2×3 .14×50×5× 106)=0. 34A

I3 220 /j2 π f ×2LR+(1/ j2 π f C)]

      220 /j2×3.14×50×1.5×1038 +(1 / j2×3.14×50×18×106)]

      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(shè)備時,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,。對于220V系統(tǒng)來說,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的例子是電子式電能表,由于電能表的參比電壓有57.5V,、100V,、220V380V等幾種,為試驗需要,,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)來進(jìn)行試驗,,結(jié)果曾多次出現(xiàn)過調(diào)壓器損毀的事故。后經(jīng)過對耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的特性進(jìn)行了分析,,糾正了對調(diào)壓器和隔離度壓器容量選擇上的錯誤,,電能表的浪涌抗擾度試驗取得了很好的效果。

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