電源線尖峰信號的分析與測試

夏 偉 孫朝斌 沈小青 余清華 王志虎

(中國衛星海上測控部，江蘇 214431)

電源線尖峰信號的分析與測試

夏 偉 孫朝斌 沈小青 余清華 王志虎

(中國衛星海上測控部，江蘇 214431)

針對感性負載在電源線尖峰信號試驗過程中存在峰值難以捕獲的問題，通過對感性負載在開關過程中的動態特性分析，研究了電源線尖峰信號的形成機理和影響因素，在此基礎上，提出了在直流條件下電源線尖峰信號的替代測試方法。仿真實驗結果表明，直流替代測試方法與理論結果基本一致，可用于解決標準試驗方法的最大峰值隨機問題，極大壓縮峰值信號的動態范圍，有效降低測試過程中的風險水平，對于電源線傳導干擾的測試分析具有參考意義。

尖峰信號 電源線 感性負載 傳導干擾

1 引 言

隨著電源供電技術的不斷發展和用戶對用電質量要求的不斷提高，電壓浪涌、尖峰脈沖等干擾逐漸成為保證電網對用戶優質安全不間斷供電所考慮的主要問題[1]。其中與電氣設備開關瞬間相關的電源線傳導干擾是電力系統中的多發事件，運行經驗和研究表明，此類干擾信號容易引起以微電子和計算機技術為基礎的自動化設備的誤操作或者損傷[2]。在上述干擾案例中，產生干擾的電氣設備以感性負載較為典型，比如常見電動機、變壓器、繼電器及日光燈等電氣設備，這類產品在啟動時需要一個比正常工作時大得多的啟動電流，容易引起斷電保護動作，而在上述設備關閉時，又容易形成電壓尖峰信號，對電網其它用電設備造成干擾。

對于上述傳導干擾問題，一般通過相關電磁兼容標準試驗進行評估，其中RTCA/DO-160F、GJB151A/152A-97和GJB181-86都涉及了電源線尖峰信號的傳導干擾試驗項目[3]。但在具體實施過程中，由于需要對受試設備進行多次開關，因此也存在一些問題，一是上述干擾信號的形成與開關動作的電壓瞬時值相關，隨機開關試驗往往難以遍歷所有狀態，使得干擾信號的最大峰值難以捕獲；二是對于一些大功率設備或者其它昂貴的專業設備，因多次開關試驗存在不確定風險性而受到限制。如上所述，傳導干擾試驗中伴隨有動態大電流或高電壓等危險因素，在一定程度上限制了其應用場合，因此，是否可以在靜態條件下對受試設備相關參數進行測試，并通過數值計算完成電源線尖峰信號特性的評估，便是本文所要解決的問題。

2 電源線尖峰信號的形成機理

在上述感性負載電源線尖峰信號干擾案例中，以電機類設備最為典型，相關研究也較多。從感應電機端過電壓的分析與預測出發，給出了感應電機的高頻模型[4～9]。從直流電機的幾何結構和物理性能出發,建立了電機繞組的高頻分析模型[9],但這種建模方法必須知道電機繞組的幾何結構。建立了一種直流電機高頻模型[11],該模型考慮了電樞繞組的集膚效應和鐵心的渦流效應,因此處理電機主電感的過程較為復雜。上述文獻研究多其中于電機的高頻模型和穩態條件下傳導干擾問題的分析與預測，對于開關瞬間的動態特性分析較少，且模型結構復雜，元件參數難以確定，并不適合現場測試應用。

下面采用等效集總參數電路來模擬分布參數的影響[12]，建立電機繞組的基本電路模型，如圖1(a)所示，其中L為繞組電感；r為繞組電阻；C1為繞組匝間寄生電容；RP1和RC1分別為表征磁損耗和電介質損耗的高頻損耗電阻；Cg為繞組與電機外殼的耦合電容，E為交流電源。

考慮電機繞組電感L和電阻r支路為傳導干擾主要影響分量，為便于分析，把剩余支路合并成等效阻抗R，形成簡化等效電路模型圖1(b)，下面分析電機開關過程中電源線尖峰信號的形成機理。

2.1開關閉合過渡過程分析

電路如圖1(b)所示，設開關S閉合時電源瞬時電壓為U，幅值為Um，角頻率為ω，初相角為θμ，其解析式為

U=Umsinωt+θμ

(1)

下面分析開關S閉合后通過電感L的電流IL的零狀態響應，則根據KVL方程有

(2)

根據動態電路的時域分析理論[13]，當正弦激勵作用于一階電路時，其響應為穩態分量和暫態分量之和。對于有損耗的動態電路，其穩態分量是與正弦激勵同頻率的正弦量，因此可設穩態分量為

ILp(t)=ILmsin (ωt+θi)

(3)

式中待定系數ILm和θi為

(4)

(5)

其暫態分量可由式(2)對應齊次方程的解求得ILq(t)=Ae-t/τ，則電感L的電流IL的全響應

ILt=ILmsin(ωt+θi)+Ae-t/τ

(6)

根據換路定理，由于電感電流不能突變，則有IL0+=IL0-=0，代入上式可得

A=-ILmsin(θi)

(7)

故

ILt=ILmsin (ωt+θi)-ILmsin(θi)e-t/τ

(8)

由式(8)和圖2可知，r-L串聯電路接通正弦交流電源時，過渡過程中電感電流是由一個正弦交流穩態分量與一個按指數規律衰減且方向不變的暫態分量迭加而成，經過一定時間后，暫態分量逐漸衰減而趨于零，電路進入穩態，這時電感電流趨近于正弦穩態電流。

由上面分析可以看出，不論何時開關S閉合，暫態分量起始值ILq0+與穩態分量起始值ILp0+大小相等符合相反，保證了電感電流在開關閉合時不發生躍變。由此可知，暫態分量起始值主要由穩態分量起始值決定，而穩態分量起始值主要由其相位角θi決定。

2.2開關斷開過渡過程分析

電路如圖1(b)所示，設開關S閉合，電感電流IL進入穩態過程，下面分析斷開開關S時阻抗R兩端電壓的變化規律，設開關斷開時時間為t0，由于此時電路已進入穩態，則根據式(8)可得

ILt0=ILmsin(ωt0+θi)

(9)

根據電感元件換路定律有ILt0+=ILt0-=ILt0，因此當開關S斷開時R兩端電壓為

URt0+=-ILt0R

(10)

此時時間常數為

(11)

由動態電路三要素公式得

(12)

?Umsinωt0+θi

(13)

3 電源線尖峰信號測試方法分析與設計

由上述分析可知，感性負載在開啟和關閉過程中都可能對同一電網中其它設備產生干擾或引起故障損壞，因此，對于可靠性要求較高的應用場合，有必要對此類電源線尖峰信號的傳導干擾發射進行試驗評估，確保設備電磁兼容性滿足系統穩定運行的要求。正如上文所述，由于干擾尖峰信號與設備開關時機、被測設備輸入阻抗參數和測試耦合網絡參數都有關系，一般少量有限次數的開關試驗難以捕獲尖峰信號的最大峰值，使得相關現場試驗往往難以取得預期效果，文獻[14]也對該問題進行了論述。

針對上述問題，通過對GJB152A-1997 CE107電源線尖峰信號傳導發射測試方法分析，提出了電源線尖峰信號測試方案設計。CE107電源線尖峰信號傳導發射測試方法分為尖峰電流和尖峰電壓兩種，其測試原理如下圖3圖4所示，其中C1、C2、L4、L5為標準測試耦合網絡，L1和R2為受試感性負載，詳細測試方法見參考文獻[3]。

3.1電流尖峰測試方法分析與設計

由式(8)可知，開關閉合瞬間感性負載主要表現為電流尖峰，當穩態分量相位角為±π/2時，電流峰值最大，此時電流尖峰主要由穩態分量的幅值和暫態分量的時間常數決定，如下式所示。

ILt=ILmsin (ωt±π/2)?ILme-t/τ

(14)

因此本文測試方法設計分為如下三步：

(1)按圖3所述進行測量設備布置，開關S1閉合，使用電流探頭和示波器測得電路穩態電流幅值ILm；

(3)使用式(14)估算開關閉合瞬間的尖峰電流。

3.2電壓尖峰測試方法分析與設計

由式(12)可知，開關斷開瞬間感性負載主要表現為電壓尖峰，此時測試耦合端電壓UR與負載端電流ILmsin (ωt0+θi)符合類似歐姆定律的電壓電流比例關系，由于通常受試設備工作于交流電源，開關斷開瞬間負載端電流的隨機性造成了測試耦合端電壓的隨機性，因此，本文設計測試方法首先使用低壓直流電源進行測試，獲得測試耦合端電壓URDC與負載端電流ILDC比例關系，再通過下式估算實際交流電源情況下的電壓尖峰。

(15)

4 尖峰信號測試仿真驗證

為了驗證本文所述方法的正確性，設計如下仿真實驗，以圖3和圖4所示尖峰信號測試方案為例，使用NI Multisim14.0電路仿真軟件構建測試電路模型，分別對電流尖峰和電壓尖峰測試方法的有效性進行仿真驗證。

4.1閉路電流尖峰測試仿真驗證

根據圖3建立仿真電路模型，其中L1、R2為受試設備，C1、C2為傳導耦合網絡，U1為交流電源。改變電源U1的初相Phase參數，測得閉路尖峰電流波形圖；使用直流電源代替交流電源，測得電路時間常數,使用式(14)估算開關閉合瞬間的電流尖峰，驗證在交直流不同條件下電流尖峰估計值與理論值的一致性。

根據本文2.1條分析可知，電流尖峰幅度與開關閉合瞬間的交流電源相位和負載電路參數都相關，根據圖3電路參數代入式(5)進行計算，結果如表1所示。

表1 閉路電流尖峰與相位關系表

根據表1相位關系以電流尖峰負向最大值為例進行開關閉合仿真，結果如圖5所示。

使用直流1V電源代替交流電源，零狀態直流響應如圖6所示，由圖可知負載電路時間常數為22.867 8ms，根據圖5所示，開關閉合瞬間電路電流穩態分量幅值ILm為4.263 5A，把上述參數代入式(14)可得開關閉合瞬間電流尖峰波形估計如圖7所示。

由圖可知，圖5電流尖峰仿真結果為-7.043 8A，圖7電流尖峰估計值為-7.032 7A，誤差約為-0.16%，說明上述交直流替換估計開關閉合瞬間電流尖峰是正確可行的。上述實驗同時表明，閉路電流尖峰主要與測試電路時間常數相關，當時間常數遠小于交流信號周期值時，由于暫態分量持續時間很短，因此，電流尖峰將不會出現。

4.2開路電壓尖峰測試仿真驗證

根據圖4建立仿真電路模型，其中C1、C2、L4、L5為傳導耦合網絡。由式(12)可知，耦合端電壓與開關S1斷開時負載電感中的電流瞬時值相關，因此在改變負載電感電流相位參數，測得開路電壓尖峰波形圖；使用直流電源代替交流電源，測得耦合端與負載端電壓比例關系，使用式(15)估算開關斷開瞬間的電壓尖峰，驗證在交直流不同條件下電壓尖峰估計值與理論值的一致性。

由于上述開關斷開瞬間電路動態響應屬于零輸入響應，為了仿真該過程，須求得電路中各儲能元件電流電壓狀態參數，具體可通過先對圖4電路模型進行零狀態響應仿真計算，并在電路進入穩態后輸出所需狀態參數，各儲能元件狀態參數仿真結果如表2所示。

表2 儲能元件狀態參數表

根據表2狀態參數求圖4電路開關斷開時的零輸入響應，以節點2為例測試耦合端電壓尖峰波形如圖8所示。

對圖4電路使用直流1V電源代替交流電源，開關閉合待電路進入穩態，對圖4電路進行開關斷開零輸入響應過程仿真，獲得測試耦合端電壓尖峰波形如圖9所示。

將上述測試結果匯總后，如表3所示。

表3 測試結果匯總表

由表3結果可知，對于感性負載，作為儲能元件，當開關斷開瞬間，其瞬時電流越大，耦合電壓亦越大；在時間節點2或4時，測試耦合端電壓尖峰估計值與理論值基本一致，誤差很小；在時間節點1或3時，測試耦合端電壓尖峰估計值與理論值出現明顯偏差。上述結果可以從儲能元件的狀態參數進行解釋，由表3可知，對于節點2或4，負載電感儲能遠大于耦合網絡，因此耦合電壓主要與負載電感電流相關，直流替代情況亦是如此；但對于節點1或3，耦合網絡電容電壓處于峰值，負載電感電流處于極小值，同時考慮電容容量和電感量的數值關系，此時最終耦合電壓與電路儲能元件狀態參數都相關，因此通過負載電感電流估計測試耦合電壓表現明顯偏差。由前文分析可知，對于感性負載，當負載電流最大時斷開開關將出現電壓尖峰，即對應于節點2和4，此時傳導因子與直流替代下偏差很小，說明基于式(15)的直流替代電壓尖峰測試方法是正確有效的。

5 結束語

(1) 對于閉路電流尖峰試驗，通過測量交流狀態負載電流和直流狀態電路時間常數完成閉路電流峰值估算，仿真測試結果準確穩定，且當時間常數遠小于交流信號周期值時，電流尖峰將不會出現。

(2) 對于開路電壓尖峰試驗，通過測量交流狀態負載電流和直流狀態耦合電壓和負載電流比例關系完成開路電壓尖峰估算，當負載電流最大時，仿真測試結果準確，其他狀態將出現明顯誤差。當被測設備為感性負載時，由于電壓尖峰會在負載電流最大時出現，因此該電壓尖峰估算方法可應用于感性負載場合。

(3) 本文所述方法在交流狀態被測設備僅需正常開關一次，其余參數測試均在低壓直流狀態測得，測試設備要求低，安全系數高，為電源線尖峰信號試驗提供了一種替代解決方案。

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AnalysisandTestofPowerCablePeakSignalforInductiveLoad

XIA Wei SUN Chao-bin Sheng Xiao-qing Yu Qing-hua Wang Zhi-hu

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangsu 214431, China)

For the inductive load, in the experiment of the power cable peak signal, it is a hard problem for catching the peak value. Through the analysis of inductive load’s dynamic characteristic in the switching, the formation mechanism and impact factor for power cable peak signal were studied. And on this basis, alternative method for power cable peak signal was put proposed in the condition of direct-current measurment. The alternative method is in accordance with theory by the result of simulation and experiment，which can be used to solved the random problem for the peak value with a standard method, extremely compressed the dynamic range of the peak value, and effectively lowered the risk level in the test process. There is a reference value for the measurement and analysis of power line conductive disturbance.

Peak signal Power cable Inductive load Conductive disturbance

2017-03-01，

2017-06-23

夏偉(1980-)，男，碩士，主要研究方向：無線電計量和電磁兼容檢測技術。

1000-7202(2017) 04-0076-06

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.16

TB971

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