串聯(lián)諧振電源的電磁兼容試驗研究

周 寧，喬 飛，程 正

（1.江西省電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；2.北京市電力公司海淀供電公司，北京 100086）

0 引言

電力設(shè)備高電壓試驗中，各種大型變壓器及發(fā)電機的交流耐壓實驗需要定期進行。常規(guī)的交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜直流耐壓試驗因為會對電纜絕緣造成誤傷而不再推薦，改而開展交流耐壓試驗。受試設(shè)備容量巨大，常規(guī)的交流耐壓試驗設(shè)備的容量、體積、重量也很大，不利于在現(xiàn)場開展檢測。串聯(lián)諧振試驗設(shè)備的出現(xiàn)改變了高電壓試驗的這種困境。串聯(lián)諧振耐壓試驗技術(shù)具有很多優(yōu)點：串聯(lián)諧振電源只需要提供試驗回路中消耗的有功，所需電源容量大大減小，省去了笨重的大功率調(diào)壓裝置和普通的大功率工頻試驗變壓器。試驗設(shè)備的重量和體積大大減少。諧振電源的諧振式濾波電路改善輸出電壓的波形，防止了諧波峰值對試品的誤擊穿。當(dāng)試品的絕緣弱點被擊穿時，電路立即脫諧，回路電流迅速下降，防止大的短路電流燒傷故障點。試品發(fā)生擊穿時，因失去諧振條件，高電壓也立即消失，電弧即刻熄滅不會出現(xiàn)任何恢復(fù)過電壓。

在發(fā)電廠、變電站進行串聯(lián)諧振技術(shù)進行高電壓試驗，工作場所比較復(fù)雜，試驗使用的電源容易受到各種負荷如電動機、鼓風(fēng)機的影響不穩(wěn)定；環(huán)境中的電磁輻射，如運行中的空心電抗器、高壓帶電體上的電暈放電；以及雷電、操作波帶來的沖擊浪涌；工作場所的靜電放電等，會對串聯(lián)諧振電源產(chǎn)生騷擾，影響其穩(wěn)定性，還會對試驗操作人員造成不可預(yù)料的傷害。本文的試驗研究關(guān)注串聯(lián)諧振電源在復(fù)雜的工作場所和電磁環(huán)境中受到各種干擾時的抗干擾能力，及其工作的穩(wěn)定性。

1 項目介紹

對串聯(lián)諧振電源裝置的電磁兼容試驗包括靜電放電試驗，電壓暫降、短時中斷和電壓變化抗擾度試驗，電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗以及浪涌抗擾度試驗。

在低相對濕度，使用低導(dǎo)電率地毯和乙烯基服裝時，電氣和電子設(shè)備容易來自操作者和臨近物體的靜電放電干擾，因此需要對串聯(lián)諧振電源裝置進行靜電放電抗擾度試驗。

在電網(wǎng)、電力設(shè)施發(fā)生故障或負荷突然出現(xiàn)大的變化時，會產(chǎn)生電壓暫降或短時中斷的現(xiàn)象。當(dāng)連接到電網(wǎng)的負荷連續(xù)變化時則會引起電壓的變化，這些現(xiàn)象會對電氣和電子設(shè)備造成影響。與低壓供電網(wǎng)連接的電氣和電子設(shè)備需進行電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾度試驗。

電快速瞬變脈沖群是由電感性負載（如繼電器、接觸器等）在斷開時，由于開關(guān)觸點間隙的絕緣擊穿或觸點彈跳等原因，在斷開處產(chǎn)生的暫態(tài)騷擾。當(dāng)電感性負載多次重復(fù)開關(guān)，則脈沖群又會以相應(yīng)的時間間隙多次重復(fù)出現(xiàn)。這種暫態(tài)騷擾能量較小，一般不會引起設(shè)備的損壞，但由于其頻譜分布較寬，所以會對電子、電氣設(shè)備的可靠工作產(chǎn)生影響。為檢驗電子、電氣設(shè)備在遭受這類暫態(tài)騷擾影響時的性能，需進行電快速速變脈沖群試驗。

浪涌沖擊來源主要有兩種，1）雷電浪涌：雷電擊中戶外線路，有大量電流流入外部線路或接地電阻，因而產(chǎn)生的干擾電壓；感應(yīng)雷的磁場在線路上感應(yīng)出的電壓或電流；雷電擊中了附近的地面，地電流通過公共接地系統(tǒng)時所引入的干擾。2）操作浪涌：主電源系統(tǒng)切換時（例如投切補償電容組）產(chǎn)生的干擾；在靠近設(shè)備附近有一些較大型的開關(guān)在跳動時所形成的干擾；切換有諧振線路的晶閘管設(shè)備；設(shè)備接地網(wǎng)絡(luò)或接地系統(tǒng)間產(chǎn)生的短路或飛弧故障。需要對串聯(lián)諧振電源裝置進行浪涌沖擊抗擾度試驗。

2 試驗標準

電磁兼容試驗的方法遵從以下標準：

GB/T 16927.1-2011《高電壓試驗技術(shù)第一部分：一般試驗要求》；GB/T17626.2-2006《電磁兼容靜電放電抗擾度試驗》；GB/T17626.11-2008《電磁兼容試驗和測量技術(shù)電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾度》；GB/T17626.4-2008《電磁兼容電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》；GB/T17626.5-2008《電磁兼容浪涌(沖擊)抗擾度試驗》。

測試結(jié)果依據(jù)受試設(shè)備在試驗中的功能喪失或性能降低現(xiàn)象來分類，按如下要求分類：

判據(jù)A：試驗中設(shè)備在規(guī)定的限值內(nèi)性能正常；

判據(jù)B：試驗中設(shè)備性能或功能暫時喪失或降低，但在干擾停止后能自行恢復(fù)，不需要操作者干預(yù)；

判據(jù)C：試驗中設(shè)備的功能或性能暫時喪失或降低，但需操作者干預(yù)才能恢復(fù)；

判據(jù)D：試驗造成設(shè)備硬件或軟件損壞，或數(shù)據(jù)丟失而造成不可恢復(fù)的功能喪失或性能降低。

3 試驗情況

串聯(lián)諧振電源裝置在進行電磁兼容試驗時正常工作，輸入電源電壓220 V，輸出端開路。檢測試驗的實施對串聯(lián)諧振電源裝置的正常工作狀態(tài)的干擾和影響程度。圖1所示為被試的串聯(lián)諧振電源裝置。

圖1 串聯(lián)諧振電源裝置

3.1 靜電放電抗擾度試驗

分別進行接觸放電和空氣放電。對設(shè)備可接觸的導(dǎo)電表面、螺釘、端口等金屬體進行接觸放電，分別選擇4個以上試驗點進行（每個點50次，正負極性各25次），用尖端接觸放電槍頭，放電頻率1次/s。試驗電壓從最小值逐漸增加到6 kV，以確定故障的臨界值。對設(shè)備可接觸的殼體表面，按鍵、指示燈、顯示屏、殼體等的縫隙進行空氣放電，分別選擇3個以上試驗點（每點進行20次放電，正、負極性個10次），用圓形空氣放電槍頭放電，放電頻率1次/s。試驗電壓從最小值逐漸增加到8 kV，以確定故障的臨界值。圖2為靜電放電布置圖。

圖2 靜電放電布置圖

在放電過程中串聯(lián)諧振電源裝置顯示屏出現(xiàn)閃爍，控制失靈，但放電結(jié)束后恢復(fù)正常狀態(tài)，沒有出現(xiàn)危險或不安全的后果。在規(guī)定的放電電壓下設(shè)備未發(fā)生任何故障，對靜電放電具有一定的抗擾能力，符合評價標準判據(jù)B。

3.2 電壓暫降、短時中斷和電壓變化抗擾度試驗

電壓暫降、短時中斷和電壓變化抗擾度試驗使用HAEFELY公司的Mains Interference Simulator PLINE1610作為試驗電源。電源電壓的變化如圖3、4和5所示。

圖3 電源電壓暫降圖

圖4 電壓短時中斷圖

圖5 電壓變化示意圖

3.2.1 電壓暫降抗擾度試驗

按照電壓跌落到的幅度和持續(xù)時間，0%-0.5個周期、0%-1個周期、40%-10個周期，70%-25個周期、80%-250個周期，改變串聯(lián)諧振電源裝置的輸入電壓。分別使電源電壓的變化依次發(fā)生在電壓信號相位角為 0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，每個角度下試驗時間為1 h。試驗結(jié)果如表1所示。

在整個檢測過程中串聯(lián)諧振電源裝置沒有出現(xiàn)危險或不安全的后果，具有抗擾能力，在0%-0.5個周期和0%-1個周期試驗時，串聯(lián)諧振電源裝置未受影響，能滿足評價標準判據(jù)A；在40%-10個周期試驗時，自動關(guān)機；在70%-25個周期試驗時，控制失靈，過流保護動作，無法正常工作，電壓恢復(fù)后，串聯(lián)諧振電源裝置能正常工作，滿足評價標準判據(jù)B，在80%-250個周期試驗時，能滿足評價標準判據(jù)A。

3.2.2 電壓中斷抗擾度試驗

短時中斷串聯(lián)諧振電源裝置的輸入電源電壓，進行0%-250個周期的電壓中斷試驗,在電源電壓信號的相位角為 0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°時中斷電壓，中斷持續(xù)時間為250個工頻周期，每個角度下試驗時間為1 h。

在電源電壓中斷時，串聯(lián)諧振電源裝置關(guān)機，電壓恢復(fù)后，串聯(lián)諧振電源裝置能正常工作。在規(guī)定的試驗過程中串聯(lián)諧振電源裝置未發(fā)生任何故障，具有抗擾能力，符合評價標準判據(jù)B。

3.2.3 電壓變化抗擾度試驗

使串聯(lián)諧振電源裝置的輸入電源電壓短時為初始幅值的70%，維持1 s，電壓線性變化，電壓變化前后的過渡時間均為2 s，電壓變化抗擾度試驗的持續(xù)時間為5 min。

在電源電壓變化時，串聯(lián)諧振電源裝置部分功能失常，電壓恢復(fù)后，串聯(lián)諧振電源裝置能正常工作。在規(guī)定的試驗過程中串聯(lián)諧振電源裝置未發(fā)生任何故障，具有抗擾能力，符合評價標準判據(jù)B。

3.3 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗

對串聯(lián)諧振電源的輸入端口施加正、負極性脈沖群波形，脈沖群周期為300 ms，脈沖持續(xù)時間為15 ms（5 kHz）、0.75 ms（100 kHz），脈沖群出現(xiàn)周期為1 s。使用HAEFELY公司的Impluse Test System Surge Platform PIM110 Module作為試驗電源，脈沖群經(jīng)過耦合網(wǎng)絡(luò)耦合到串聯(lián)諧振裝置的電源輸入端口，見圖6。脈沖群的試驗電壓為2 kV，依次加在 相 線 -零 線（L-N）和 線 -地（L/N-PE、L&N-PE）之間，每根線上的試驗持續(xù)1 min，試驗結(jié)果見表2。

圖6 用于交流電源端口的耦合網(wǎng)絡(luò)示意圖

表2 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗結(jié)果

在整個檢測過程中串聯(lián)諧振電源裝置沒有出現(xiàn)危險或不安全的后果，在規(guī)定的試驗程序中設(shè)備未發(fā)生任何故障。對電快速瞬變脈沖群具有抗擾能力，符合評價標準判據(jù)A。

3.4 浪涌抗擾度試驗

在串聯(lián)諧振電源裝置的電源線端口和輸出電壓端口，施加正、負極性的浪涌信號，電壓峰值為2 kV，開路電壓波形為1.2/50μs，短路電流波形為8/20μs，內(nèi)阻為2Ω。對電源線端口的相線-零線線（L-N）和線-地（L/N-PE、L&N-PE）之間和輸出電壓端口兩端施加浪涌電壓各5次，加壓時間間隔為1 min，如圖7。

圖7 浪涌（沖擊）抗擾度試驗電氣原理圖

檢測結(jié)果：在整個檢測過程中串聯(lián)諧振電源裝置顯示屏出現(xiàn)閃爍，控制失靈，過流保護動作，沒有出現(xiàn)危險或不安全的后果，電壓恢復(fù)后，串聯(lián)諧振電源裝置能正常工作。在規(guī)定的浪涌電壓下串聯(lián)諧振電源裝置未發(fā)生任何故障，對浪涌電壓具有抗擾能力，符合評價標準判據(jù)B。

4 結(jié)論

1）接觸式和空氣中的靜電放電對串聯(lián)諧振電源裝置均會產(chǎn)生干擾，影響設(shè)備正常工作。電源電壓暫降到40%和70%時以及短時中斷時，設(shè)備均不能正常工作；電源電壓電壓變化到70%時串聯(lián)諧振電源裝置部分功能失常。浪涌抗擾度試驗使串聯(lián)諧振電源裝置不能正常工作。

電快速瞬變脈沖群帶來的干擾對串聯(lián)諧振電源裝置未產(chǎn)生任何影響。

2）工作場所、環(huán)境中遭受的靜電放電，工作電源電壓的暫降、短時中斷和電壓變化以及雷電活動或系統(tǒng)電源切換時造成的浪涌沖擊，都會對串聯(lián)諧振電源裝置造成嚴重干擾：設(shè)備在運行中突然關(guān)機會造成試驗所產(chǎn)生的交流高電壓瞬降，影響交流耐壓試驗效果的判斷；升壓控制功能失靈，會導(dǎo)致整個串聯(lián)諧振試驗回路產(chǎn)生的高電壓瞬間升高，乃至超出被試設(shè)備的絕緣水平，誤傷被試設(shè)備。

工作電源的長期不穩(wěn)定，造成串聯(lián)諧振試驗裝置工作狀態(tài)不穩(wěn)，累積效應(yīng)會導(dǎo)致裝置加速老化，影響其使用壽命。

3）采取屏蔽手段，有效屏蔽靜電放電帶來的電磁干擾；試驗電源應(yīng)與其他大功率負荷隔離，并采取穩(wěn)壓措施，保證工作電源質(zhì)量；低壓試驗電源母線應(yīng)裝備電涌防護設(shè)備，有效防止浪涌沖擊對串聯(lián)諧振試驗裝置的影響和破壞。

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[7]GB/T17626.4-2008，電磁兼容電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗[S].

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