1、前言
為了真實模擬設備在實際運行中可能遇到的雷擊或開關切換瞬變造成的電壓或電流浪涌，評價電子電氣設備對雷擊浪涌的抗擾度水平，標準要求受試設備(EUT)要在規定的帶電(DC或AC供電電源)工作狀態下，用能產生1.2/50us開路電壓波和8/20us短路電流波的組合波信號發生器進行雷擊浪涌抗擾度試驗，以檢驗被測設備在實際運行過程中的抗干擾能力。本文通過結合實驗室的實際情況，介紹了雷擊浪涌測試設備的主要組成部分及其工作原理，并搭建雷擊浪涌的測試平臺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給出了一種在實際測試工作中更具可操作性的波形和參數定義，如圖1、圖2所示。
圖1 未連接CDN的發生器輸出端的開路電壓波形(1.2/50us)
其中Tw為持續時間，定義為電壓波形在上升沿和下降沿分別為50%峰值電壓之間經過的時間，T為波前時間，定義為電壓波形上升沿在30%峰值電壓和90% 峰值電壓之間經過的時間：
波前時間:Tf=1.67×T=1.2×(1±30%)µs，1.67為0.9和0.3閾值只差的倒數。
持續時間:Td=Tw=50×(1±20%)µs
圖2 未連接CDN的發生器輸出端的短路電流波形(8/20us)
短路電流的波形參數依然為波前時間和持續時間，定義和開路電壓一致，不再贅述，標準定義：
波前時間: Tf=1.25×Tr=8×(1±20%)µs，1.25為0.9和0.1閾值只差的倒數。
持續時間: Td=1.18×Tw=20×(1±20%)µs，1.18為經驗值。
而對于(10/700)µs–(5/320)µs波形來說，由于此波形只用于直連到戶外通訊網絡的同步互聯線纜，適用范圍小。所以標準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為持續時間，定義為電流波形在上升沿和下降沿分別為50%峰值電流之間經過的時間，T為波前時間，定義為電流波形上升沿在30%峰值電壓和90%峰值電流之間經過的時間：波形峰值50%~50%經過的時間，T為波前脈沖峰值30~90%經過的時間。標準定義：
波前時間:Tf=1.67×T=10×(1±30%)µs
持續時間: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依然為波前時間和持續時間，定義和開路電壓一致，不再贅述，標準定義：
波前時間: Tf=1,25×Tr=5×(1±20%)µs
持續時間: Td=Tw=320×(1±20%)µs
3、浪涌(沖擊)測試系統
浪涌(沖擊)測試系統主要是由浪涌信號發生器和耦合/去耦網絡兩部分組成。為了生成符合標準定義的雷擊浪涌信號波形，在標準GB/T 17626.5-2019中對于組合波發生器的電路結構和性能指標進行了規定。
3.1 浪涌信號發生器
在整個浪涌測試系統中，浪涌組合波發生器是最關鍵的部件，它的主要功能是負責產生浪涌波形。在標準GB/T 17626.5-2019中有浪涌組合波發生器的電路結構，圖5為(1.2/50)µs-(8/20)µs波形發生器的電路原理圖：
圖5 組合波發生器的電路原理圖(1.2/50μs-8/20μs)
如圖5的(1.2/50)µs-(8/20)µs波形發生器的電路原理圖所示，浪涌發生器的電路是由兩個部分構成，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生器 U、充電電阻Rc和儲能電容Cc組成，脈沖形成回路的電路由脈沖持續時間調節電阻RS1、RS2、阻抗匹配電阻Rm和調節上升時間形成的電感Lr組成。
工作原理為：當開關處于斷開狀態，此時電路會通過RC、CC充電回路對儲能電容Cc進行充電。在儲能電容Cc 儲滿需要的電壓電量后，主電路開關閉合并形成放電回路。在開關閉合初始一段時間，儲能電容Cc向Rm、Lr和RS2進行放電，此時在RS2兩端測得的雷擊浪涌電壓波形正處于波形的上升狀態，在這段時間電感Lr在脈沖電路中也起到了儲能作用，隨著儲能電容Cc的電量慢慢減少，電感Lr和電容Cc同時對電阻RS1、Rm和RS2放電，此時RS2兩端測得的雷擊浪涌電壓波形由峰值開始下降。電阻Rm則保證了整個發生器的內阻為2Ω，最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波形發生器的電路原理圖：
圖6 組合波發生器的電路原理圖(10/700μs-5/320μs)
如圖6的(10/700)µs-(5/320)µs波形發生器的電路原理圖所示，浪涌發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生器U、充電電阻Rc和儲能電容Cc構成，脈沖形成回路的電路由脈沖持續時間調節電阻RS、Rm1、Rm2和調節上升時間的電容Cs組成，開關S1閉合時，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波形發生器的電路原理相同，脈沖形成回路的工作原理略有區別，由于(10/700)µs 波形的上升時間和持續時間大大長于(1.2/50)µs波形，故使用了電容Cs用來代替電感Lr。同時內置阻抗Rm1按照標準要求改為15Ω，內置阻抗Rm2為25Ω，此時發生器內阻為40Ω，需注意的是，當開關S1閉合時電阻Rm2被短路跳開，此時可以使用外部匹配電阻。最終即可得到所要求的(10/700)µs-(5/320)µs浪涌波形。
3.2 耦合/去耦網絡
雷擊浪涌耦合去耦網絡按照其工作原理可以分為耦合網絡部分和去耦網絡部分。耦合網絡的作用是將組合波發生器的浪涌信號傳送到被測設備上，限制從被測設備的電源線流入組合波發生器的電流對發生器本體造成破壞，減小對浪涌波形的影響。去耦網絡的作用是為浪涌信號提供足夠的去耦阻抗，避免浪涌信號竄入電網對由同一電源供電的非受試設備產生不利影響。此外，連接到同一電源的其他設備可能含有防雷器件，在不使用去耦網絡的情況下，非受試設備上防雷器件會阻止EUT上浪涌的施加及影響浪涌試驗結果。
雷擊浪涌的耦合去耦網絡根據適用范圍可以分為：電源線耦合/去耦網絡和互聯線耦合/去耦網絡，其中電源線耦合/去耦網絡包含單相交流或直流耦合/去耦網絡、三相交流耦合/去耦網絡;互聯線耦合/去耦網絡包含非屏蔽非對稱耦合/去耦網絡、非屏蔽對稱耦合/去耦網絡。
一般浪涌信號耦合到EUT上的方式有電容耦合和氣體放電管耦合，其中后者對組合波發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，則電源側殘余浪涌電壓較低，但產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問題，國家標準規定線-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。電源線耦合去耦網絡的設計應滿足標準中網絡端口的波形參數要求，其去耦網絡部分提供了一個相對雷擊浪涌波來說較高的阻抗，同時這個阻抗又不能影響受試設備的正常供電。耦合網絡部分的耦合元器件使用高壓電容，它的作用和去耦網絡的剛好相反，需要使得雷擊浪涌波形能夠完整的通過。同樣的，信號線耦合/去耦網絡的設計也應滿足標準中網絡端口的波形參數要求，其耦合元件可以是電容、鉗位器或避雷器。
在進行測試時，應根據不同的產品來選擇相對應的耦合去耦網絡，其選擇方法見圖7：
圖7 耦合/去耦網絡的選擇
在標準GB/T 17626.5-2019中給出了耦合去耦網絡 的電路拓撲圖，圖8至圖11分別為單相/直流電源耦合去耦網絡線對線耦合、單相/直流電源耦合去耦網絡線對地耦合、三相電源耦合去耦網絡線對線耦合和三相電源耦合去耦網絡線對地耦合。
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/去耦網絡，去耦網絡部分的拓撲結構是一致的。其結構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，否則既會使耦合/去耦網絡上有較大的電壓壓降，又會造成電感體積龐大，給生產制造和安裝帶來不便。一般來說，為了達到標準中規定的：“耦合/去耦網絡上產生的壓降在額定電流情況下不超過耦合/去耦網絡輸入電壓的10%”。以被測品每相額定電流≤200A計，L值應≤1.5mH，當額定電流>200A 時，L值如圖12所示。
圖12 額定電流大于200A的耦合/去耦網絡中去耦線上的感抗值
對于耦合網絡來說，由于耦合方式所模擬的實際情況不同，其分為線-線和線-地兩種情況。由于低壓電網對地的源阻抗為12Ω，對于虛擬阻抗(定義為開路電壓峰值與短路電流峰值之比)為2Ω的組合波發生器，在進行線-地耦合時，故需要另外再串聯10Ω的附加電阻，以增加有效源阻抗。
所有的電源線耦合/去耦網絡僅適用于(1.2/50)µs-(8/20)µs 雷擊浪涌波形。
圖 13至圖15分別為非屏蔽不對稱互連線耦合/去耦網絡、非屏蔽對稱互連線耦合/去耦網絡和非屏蔽戶外對稱通信線耦合/去耦網絡。
圖13 非屏蔽不對稱互連線的耦合/去耦網絡
圖14 非屏蔽對稱互連線的耦合/去耦網絡
圖15 非屏蔽戶外對稱通信線的耦合/去耦網絡
在GB/T 17626.5-2019中分為：
1)非屏蔽不對稱互連線耦合/去耦網絡中(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組合波發生器時，非屏蔽對稱互連線耦合/去耦網絡中(如圖14所示)，Rc=n×40Ω，n為互連線導線根數，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備正常傳輸數據，并同時滿足規定的浪涌波形參數;
3)使用(10/700)µs組合波發生器時，非屏蔽戶外對稱通信線耦合/去耦網絡中(如圖15所示)，Rc=25Ω，CD 為0.5µF電容和氣體放電管。
4、浪涌測試系統試驗配置及試驗過程要求
4.1 試驗配置
在標準中，對于進行浪涌的測試時所需要注意的事項、測試布置和測試 程序都有著明確要求，雷擊浪涌測試系統的試驗配置主要包括以下設備：
ü 被測設備
ü 輔助設備(需要時)
ü 電纜(規定的類型和長度)
ü 耦合/去耦網絡
ü 組合波發生器
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配置圖。
圖16 電源端口浪涌試驗配置圖
圖17非屏蔽互連線端口浪涌試驗配置圖
圖18屏蔽互連線的浪涌試驗配置圖
4.2 試驗過程要求
在根據被測設備對應的產品標準或產品類標準或通用標準進行試驗布置后，同時按照要求進行試驗配置，包括以下要求。
4.2.1 根據對應的標準確認試驗等級，如圖19所示。
圖19 試驗等級
4.2.2 浪涌次數
除非相關的產品標準有規定，針對每一個耦合路徑，施加在直流電源端和互連線上的浪涌脈沖次數應為正、負極性各5次;對于交流電源端口，應分別在0º、90º、180º、270º 相位施加正、負極性各5次的浪涌脈沖。
4.2.3 脈沖間隔時間
連續浪涌脈沖之間的間隔不能大于1分鐘，間隔小于1分鐘的浪涌測試具有更高的嚴酷度，其原因是過短時間內的連續充電有可能導致被測設備承受的電壓累積以至于超過實際測試電壓等級。
4.2.4 被測設備要處于典型工作狀態
被測設備應在典型工作狀態下進行試驗，以模擬實際情況。
4.2.5 浪涌施加的端口
被測設備的電源端口輸入端、輸出端和信號端口均需要進行測試，但具體情況還要參照相關的產品標準。在有幾路相同線路的情況下，可能只需選擇一定數量的線路進行測量即可。而對于輸出端口的浪涌試驗，只推薦在浪涌可能通過該端口進入EUT的輸出端口(如,大功耗負載的切換)上進行。
當進行共模試驗時，每根線應逐一進行試驗，除非產品類標準給出了相應的其他要求。
由于被測設備可能裝有壓敏電阻或空氣放電管等浪涌保護器件，或被測設備本身原因造成的電壓-電流特性呈現非線性的狀態，因此，試驗等級需從低到高逐步增加直至達到其要求的試驗等級，受試設備在所有等級的試驗中均應能夠達到測試計劃或標準中規定的要求。
5、浪涌校準參數及校準配置圖
對于浪涌試驗設備，一般的做法是對其進行周期性的計量(一年)，并由第三方計量機構出具校準報告，只要校準報告中的各項參數符合標準要求，就可正常使用。
5.1 組合波發生器的校準參數
GB/T 17626.5-2019對于組合波發生器的輸出端參數有以下要求，見表1和表2。
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開路電壓參數范圍 |
短路電流參數范圍 |
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1.2/50us |
10/700us |
1.2/50us |
10/700us |
|
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|
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KV |
KV |
KA |
A |
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0.45~0.55 |
0.45~0.55 |
0.225~0.275 |
11.25~13.75 |
|
0.9~1.1 |
0.9~1.1 |
0.45~0.55 |
22.5~27.5 |
|
1.8~2.2 |
1.8~2.2 |
0.9~1.1 |
45~55 |
|
3.6~4.4 |
3.6~4.4 |
1.8~2.2 |
90~110 |
表1 組合波發生器輸出端雷擊浪涌波形-開路電壓和短路電流幅值參數的允差范圍
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1.2/50us |
10/700us |
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參數 |
波前時間 |
持續時間 |
波前時間 |
持續時間 |
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開路電壓 |
0.84µs~1.56µs |
40µs~60µs |
7µs~13µs |
560µs~840µs |
|
短路電流 |
6.4µs~9.6µs |
16µs~24µs |
4µs~6µs |
256µs~384µs |
表2組合波發生器輸出端雷擊浪涌波形-時間參數的允差范圍
5.2 電源端口耦合/去耦網絡的校準參數
為了比較不同耦合/去耦網絡對測試結果的影響，耦合/去耦網絡應定期校準。在耦合/去耦網絡的EUT端測得的波形參數取決于發生器，該波形參數只對被測的發生器和耦合/去耦網絡的特定組合有效。圖20~圖22適用于額定電流每線≤200A的交/直流電源端口的 CDN的校準。
圖20 耦合/去耦網絡的EUT端口的開路電壓峰值和短路電流峰值的關系
圖21 耦合/去耦網絡的EUT端口的電壓波形要求
圖22 耦合/去耦網絡的EUT端口的電流波形要求
5.3 互連線端口耦合/去耦網絡的校準參數
5.3.1 非屏蔽非對稱的互連線的耦合/去耦網絡校準，適用于浪涌波形(1.2/50us組合波)。
根據圖23，耦合/去耦網絡的EUT輸出端口的峰值、波前時間和脈沖持續時間應在耦合/去耦網絡的額定脈沖電壓和電流下進行測量。圖24為非屏蔽非對稱互連線的耦合/去耦網絡的EUT端口的浪涌波形要求。
圖23 非屏蔽非對稱互連線的耦合/去耦網絡的校準
圖24 非屏蔽非對稱互連線的耦合/去耦網絡的EUT端口的浪涌波形要求
5.3.2 非屏蔽對稱的互連線的耦合/去耦網絡校準，適用于浪涌波形(1.2/50us組合波)。
根據圖25，耦合/去耦網絡的EUT輸出端口的峰值、波前時間和脈沖持續時間應在耦合/去耦網絡的額定脈沖電壓和電流下進行測量。圖26為非屏蔽對稱互連線的耦合/去耦網絡的EUT端口的浪涌波形要求。
圖25 非屏蔽對稱互連線的耦合/去耦網絡的校準
圖26 非屏蔽對稱互連線的耦合/去耦網絡的EUT端口的浪涌波形要求
5.3.3 非屏蔽戶外對稱通信線的耦合/去耦網絡校準，適用于浪涌波形(10/700us組合波)。
需要測量開路情況下的脈沖電壓和短路情況下的脈沖電流的峰值、波前時間和脈沖持續時間，測量時脈沖要一次性施加到耦合對線上。同時為了測量EUT輸出端口的脈沖電壓和脈沖電流，去耦網絡的AE側的輸入應短接到 PE。圖27為非屏蔽戶外對稱通信線的耦合/去耦網絡的校準過程要求。圖28非屏蔽戶外對稱通信線的耦合/去耦網絡的EUT端口的浪涌波形要求。
圖27 非屏蔽戶外對稱通信線的 CDN的校準過程
圖28 非屏蔽戶外對稱通信線的 CDN的 EUT端口的浪涌波形要求
5.4 校準配置圖
綜合以上標準中對參數及波形的要求, 浪涌儀器的校驗必須具備進行電壓，電流和時間參數測量的功能。由于浪涌波形的上升沿時間需要達到0.1µs甚至0.01µs的精度，數字示波器帶寬就必須大于100MHz;同時浪涌測試的電壓等級多為kV級別，所以需要使用高壓探頭或差分探頭將高電壓變換為低電壓供示波器檢測用;具體校準示意圖見圖29和圖30。
圖29 開路電壓校準示意圖
圖30 短路電流校準示意圖
