串聯(lián)諧振電源的電磁兼容試驗(yàn)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(yàn)中，各種大型變壓器及發(fā)電機(jī)的交流耐壓實(shí)驗(yàn)需要定期進(jìn)行。常規(guī)的交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜直流耐壓試驗(yàn)因?yàn)闀?huì)對(duì)電纜絕緣造成誤傷而不再推薦，改而開展交流耐壓試驗(yàn)。受試設(shè)備容量巨大，常規(guī)的交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備的容量、體積、重量也很大，不利于在現(xiàn)場(chǎng)開展檢測(cè)。串聯(lián)諧振試驗(yàn)設(shè)備的出現(xiàn)改變了高電壓試驗(yàn)的這種困境。串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)：串聯(lián)諧振電源只需要提供試驗(yàn)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(yàn)變壓器。試驗(yàn)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(duì)試品的誤擊穿。當(dāng)試品的絕緣弱點(diǎn)被擊穿時(shí)，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(diǎn)。試品發(fā)生擊穿時(shí)，因失去諧振條件，高電壓也立即消失，電弧即刻熄滅不會(huì)出現(xiàn)任何恢復(fù)過(guò)電壓。

在發(fā)電廠、變電站進(jìn)行串聯(lián)諧振技術(shù)進(jìn)行高電壓試驗(yàn)，工作場(chǎng)所比較復(fù)雜，試驗(yàn)使用的電源容易受到各種負(fù)荷如電動(dòng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)的影響不穩(wěn)定；環(huán)境中的電磁輻射，如運(yùn)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(lái)的沖擊浪涌；工作場(chǎng)所的靜電放電等，會(huì)對(duì)串聯(lián)諧振電源產(chǎn)生騷擾，影響其穩(wěn)定性，還會(huì)對(duì)試驗(yàn)操作人員造成不可預(yù)料的傷害。本文的試驗(yàn)研究關(guān)注串聯(lián)諧振電源在復(fù)雜的工作場(chǎng)所和電磁環(huán)境中受到各種干擾時(shí)的抗干擾能力，及其工作的穩(wěn)定性。

1 項(xiàng)目介紹

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

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

在電網(wǎng)、電力設(shè)施發(fā)生故障或負(fù)荷突然出現(xiàn)大的變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電壓暫降或短時(shí)中斷的現(xiàn)象。當(dāng)連接到電網(wǎng)的負(fù)荷連續(xù)變化時(shí)則會(huì)引起電壓的變化，這些現(xiàn)象會(huì)對(duì)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(jìn)行電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化的抗擾度試驗(yàn)。

電快速瞬變脈沖群是由電感性負(fù)載（如繼電器、接觸器等）在斷開時(shí)，由于開關(guān)觸點(diǎn)間隙的絕緣擊穿或觸點(diǎn)彈跳等原因，在斷開處產(chǎn)生的暫態(tài)騷擾。當(dāng)電感性負(fù)載多次重復(fù)開關(guān)，則脈沖群又會(huì)以相應(yīng)的時(shí)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(huì)引起設(shè)備的損壞，但由于其頻譜分布較寬，所以會(huì)對(duì)電子、電氣設(shè)備的可靠工作產(chǎn)生影響。為檢驗(yàn)電子、電氣設(shè)備在遭受這類暫態(tài)騷擾影響時(shí)的性能，需進(jìn)行電快速速變脈沖群試驗(yàn)。

浪涌沖擊來(lái)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(chǎng)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(guò)公共接地系統(tǒng)時(shí)所引入的干擾。2）操作浪涌：主電源系統(tǒng)切換時(shí)（例如投切補(bǔ)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(dòng)時(shí)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(duì)串聯(lián)諧振電源裝置進(jìn)行浪涌沖擊抗擾度試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

電磁兼容試驗(yàn)的方法遵從以下標(biāo)準(zhǔn)：

GB/T 16927.1-2011《高電壓試驗(yàn)技術(shù)第一部分：一般試驗(yàn)要求》；GB/T17626.2-2006《電磁兼容靜電放電抗擾度試驗(yàn)》；GB/T17626.11-2008《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)電壓暫降、短時(shí)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(yàn)》；GB/T17626.5-2008《電磁兼容浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)》。

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

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

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

判據(jù)D：試驗(yàn)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(yàn)情況

串聯(lián)諧振電源裝置在進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)時(shí)正常工作，輸入電源電壓220 V，輸出端開路。檢測(cè)試驗(yàn)的實(shí)施對(duì)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(yàn)

分別進(jìn)行接觸放電和空氣放電。對(duì)設(shè)備可接觸的導(dǎo)電表面、螺釘、端口等金屬體進(jìn)行接觸放電，分別選擇4個(gè)以上試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行（每個(gè)點(diǎn)50次，正負(fù)極性各25次），用尖端接觸放電槍頭，放電頻率1次/s。試驗(yàn)電壓從最小值逐漸增加到6 kV，以確定故障的臨界值。對(duì)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(jìn)行空氣放電，分別選擇3個(gè)以上試驗(yàn)點(diǎn)（每點(diǎn)進(jìn)行20次放電，正、負(fù)極性個(gè)10次），用圓形空氣放電槍頭放電，放電頻率1次/s。試驗(yàn)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(guò)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(xiǎn)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(duì)靜電放電具有一定的抗擾能力，符合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)B。

3.2 電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化抗擾度試驗(yàn)

電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化抗擾度試驗(yàn)使用HAEFELY公司的Mains Interference Simulator PLINE1610作為試驗(yàn)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(shí)中斷圖

圖5 電壓變化示意圖

3.2.1 電壓暫降抗擾度試驗(yàn)

按照電壓跌落到的幅度和持續(xù)時(shí)間，0%-0.5個(gè)周期、0%-1個(gè)周期、40%-10個(gè)周期，70%-25個(gè)周期、80%-250個(gè)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(hào)相位角為 0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，每個(gè)角度下試驗(yàn)時(shí)間為1 h。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中串聯(lián)諧振電源裝置沒有出現(xiàn)危險(xiǎn)或不安全的后果，具有抗擾能力，在0%-0.5個(gè)周期和0%-1個(gè)周期試驗(yàn)時(shí)，串聯(lián)諧振電源裝置未受影響，能滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)A；在40%-10個(gè)周期試驗(yàn)時(shí)，自動(dòng)關(guān)機(jī)；在70%-25個(gè)周期試驗(yàn)時(shí)，控制失靈，過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，無(wú)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)B，在80%-250個(gè)周期試驗(yàn)時(shí)，能滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)A。

3.2.2 電壓中斷抗擾度試驗(yàn)

短時(shí)中斷串聯(lián)諧振電源裝置的輸入電源電壓，進(jìn)行0%-250個(gè)周期的電壓中斷試驗(yàn),在電源電壓信號(hào)的相位角為 0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°時(shí)中斷電壓，中斷持續(xù)時(shí)間為250個(gè)工頻周期，每個(gè)角度下試驗(yàn)時(shí)間為1 h。

在電源電壓中斷時(shí)，串聯(lián)諧振電源裝置關(guān)機(jī)，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(yàn)過(guò)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)B。

3.2.3 電壓變化抗擾度試驗(yàn)

使串聯(lián)諧振電源裝置的輸入電源電壓短時(shí)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(guò)渡時(shí)間均為2 s，電壓變化抗擾度試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間為5 min。

在電源電壓變化時(shí)，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(yàn)過(guò)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)B。

3.3 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)

對(duì)串聯(lián)諧振電源的輸入端口施加正、負(fù)極性脈沖群波形，脈沖群周期為300 ms，脈沖持續(xù)時(shí)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(yàn)電源，脈沖群經(jīng)過(guò)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(yàn)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(yàn)持續(xù)1 min，試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果

在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中串聯(lián)諧振電源裝置沒有出現(xiàn)危險(xiǎn)或不安全的后果，在規(guī)定的試驗(yàn)程序中設(shè)備未發(fā)生任何故障。對(duì)電快速瞬變脈沖群具有抗擾能力，符合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)A。

3.4 浪涌抗擾度試驗(yàn)

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(fù)極性的浪涌信號(hào)，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(duì)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(shí)間間隔為1 min，如圖7。

圖7 浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)電氣原理圖

檢測(cè)結(jié)果：在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中串聯(lián)諧振電源裝置顯示屏出現(xiàn)閃爍，控制失靈，過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，沒有出現(xiàn)危險(xiǎn)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(duì)浪涌電壓具有抗擾能力，符合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)B。

4 結(jié)論

1）接觸式和空氣中的靜電放電對(duì)串聯(lián)諧振電源裝置均會(huì)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(shí)以及短時(shí)中斷時(shí)，設(shè)備均不能正常工作；電源電壓電壓變化到70%時(shí)串聯(lián)諧振電源裝置部分功能失常。浪涌抗擾度試驗(yàn)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(lái)的干擾對(duì)串聯(lián)諧振電源裝置未產(chǎn)生任何影響。

2）工作場(chǎng)所、環(huán)境中遭受的靜電放電，工作電源電壓的暫降、短時(shí)中斷和電壓變化以及雷電活動(dòng)或系統(tǒng)電源切換時(shí)造成的浪涌沖擊，都會(huì)對(duì)串聯(lián)諧振電源裝置造成嚴(yán)重干擾：設(shè)備在運(yùn)行中突然關(guān)機(jī)會(huì)造成試驗(yàn)所產(chǎn)生的交流高電壓瞬降，影響交流耐壓試驗(yàn)效果的判斷；升壓控制功能失靈，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)串聯(lián)諧振試驗(yàn)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(zhǎng)期不穩(wěn)定，造成串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置工作狀態(tài)不穩(wěn)，累積效應(yīng)會(huì)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(lái)的電磁干擾；試驗(yàn)電源應(yīng)與其他大功率負(fù)荷隔離，并采取穩(wěn)壓措施，保證工作電源質(zhì)量；低壓試驗(yàn)電源母線應(yīng)裝備電涌防護(hù)設(shè)備，有效防止浪涌沖擊對(duì)串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置的影響和破壞。

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[3]鄧重一.電磁兼容測(cè)試技術(shù)選析[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2005（8）：92-95.

[4]GB/T 16927.1-2011，高電壓試驗(yàn)技術(shù)第一部分：一般試驗(yàn)要求》[S].

[5]GB/T17626.2-2006，電磁兼容靜電放電抗擾度試驗(yàn)[s].

[6]GB/T17626.11-2008，電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化的抗擾度[S].

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

[8]GB/T17626.5-2008，電磁兼容浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)[S].