浪涌信號發生器的校準方法

周蕊

摘 要： 介紹了浪涌來源于雷電瞬態和開關瞬態，給出了模擬雷電瞬態和開關瞬態的浪涌信號發生器的主要性能指標及工作原理。根據浪涌信號發生器的性能指標及工作原理，提出了一種簡單可行的校準方法，給出了詳細的測試數據，并應用到了實際工作中。

關鍵詞： 浪涌信號發生器； 瞬態； 校準方法； 測試數據

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0087?03

0 引 言

自然界的雷電和電網中的開關切換、繼電保護裝置動作以及插頭的拔插，都會產生瞬態浪涌電壓[1]。雷擊瞬態浪涌（沖擊）電壓通過下列途徑產生：雷擊與外部電路（戶外），注入的電流流過接地電阻或外部電路阻抗而產生電壓；建筑物內、外導體上產生感應電壓和電流的間接雷擊（即云層之間或云層中的雷擊或擊于附近物體的雷擊，這種雷擊產生電磁場）；直接對地放電的雷擊入地電流，耦合到設備組接地系統的公共接地路徑[2]。因此，雷電不僅會造成戶外電子電氣設備性能下降、功能缺失，甚至被擊毀，而且對工作在室內的電子電器設備，也會造成同樣的現象。開關瞬態浪涌（沖擊）電壓由下列途徑產生：主電源系統切換騷擾，例如電容器組的切換；配電系統內在儀器附近的輕微開關動作或負荷變化；與開關裝置有關的諧振電路，例如晶閘管；各種系統故障，例如對設備組接地系統的短路和電弧故障。因此開關瞬態主要來自電子設備自身，主要通過傳導耦合途徑干擾電子設備。

遭受雷擊的電子電氣設備，不僅會引起自身性能及功能的下降，設備的燒毀，更嚴重的后果會造成電路短路，引發火災，危機整個公共電網的安全。為了評估電子電氣設備抗經公共電網耦合，或空間耦合雷擊瞬變過電壓引起的浪涌（沖擊）的能力，國際電工委員會（IEC）發布了試驗標準IEC61000?4?5，我國也制定了相應的標準GB/T17626.5“浪涌（沖擊）抗擾度試驗”。該標準規范了試驗方法、試驗等級、試驗等級的選擇原則以及試驗所需浪涌信號發生器的特性。浪涌信號發生器電流大、電壓高、頻帶寬，不能用通用儀器直接進行校準，本文提出了一種簡單易行的對比測試法校準浪涌信號發生器的短路電流。

1 信號發生器特性

1.1 信號發生器特征和性能

浪涌信號發生器應盡可能模擬雷電瞬態和開關瞬態產生的浪涌電壓，根據干擾產生的機理，當干擾源與受試設備的端口在同一線路中，例如在電源網絡中（直接耦合），信號發生器模擬一個低阻抗源；當干擾源與受試設備的端口不在同一線路中（間接耦合），信號發生器模擬一個高阻抗源。

目前，生產浪涌信號發生器的廠家主要有有瑞士EM TEST公司、美國ThermoKeyTek公司和日本NoiseKen公司。設備特性都滿足IEC61000?4?5（GB/T17626.5）標準所規定的要求，組合波信號發生器主要特征和性能如下[3]：開路輸出電壓：0.5～4.0 kV；浪涌輸出波形：如圖1所示（按GB/T16927.1的波形規定）；開路輸出電壓容差：±10%；短路輸出電流：0.25～2.0 kA；短路電流波形：如圖2所示（按GB/T16927.1的波形規定）；短路輸出電流容差：±10%；極性：正/負；內阻：2 Ω；相位偏移：隨交流電源相角在0～360°變化。

2 浪涌脈沖帶寬分析

圖1中開路電壓脈沖波形的帶寬為262 kHz，圖2中短路電流脈沖波形的帶寬為39.3 kHz。校準開路電壓脈沖波形，需要校準系統（包括電壓探頭、示波器、高壓匹配器等）的頻率帶寬應大于2 620 kHz。校準短路電流脈沖波形，需要校準系統（包括電壓探頭、示波器、高壓匹配器等）的頻率帶寬大于393 kHz。

3 校準方法

對于開路電壓的校準，可直接用高壓探頭和示波器進行測量。對于短路電流的校準，由于浪涌信號發生器短路電流呈現大電流、寬頻帶的特性，通用測量儀器無法直接進行校準，本文采取一種對比測試法，不直接用電流探頭的系數和衰減器的值（和頻率有關）計算電流幅度，而采用現場標定測量系統的電流轉換系數，然后利用電流轉換系數來校準短路電流幅值，這樣，電流探頭的寬頻特性既保證了電流波形不失真，又能準確測量短路電流幅度。

下面對EM TEST公司生產的UCS500型多功能試驗系統浪涌（沖擊）綜合信號發生器的短路電流進行校準。對于其他型號的浪涌（沖擊）發生器，也可參照此方法。

3.1 主要設備

3.2 標定電流轉換系數

3.2.1 感應電壓測定

感應電壓測量按圖4配置測量系統（示波器為50 Ω輸入阻抗），按GB/T17626.5要求的試驗等級1～4，分別設置UCS500信號源的輸出電壓[V0，]用示波器測量電流探頭感應電流在50 Ω負載上的感應電壓[VT，]測量結果見表1。

3.2.2 1.5 Ω負載電流測量

按圖5配置測量系統，示波器探頭選用高壓高阻差分探頭，輸入阻抗設為高阻，分別設置UCS500輸出電壓為500 V、1 000 V、2 000 V、4 000 V，測量1.5 Ω電阻兩端電壓[VR，]根據歐姆定律計算流過電流[IR，]結果見表2。

4 結 語

針對浪涌信號發生器的短路電流大、頻帶寬的特點，本文采用的對比測試法，利用測量系統的電流轉換系數，解決了頻域參數的測試系統測試時域信號的幅度問題，同時，寬頻帶的測試系統也保證了時域信號不失真，這樣，準確的測量浪涌脈沖信號的幅度參數和時間參數。該測試方法已在實驗室浪涌信號發生器的期間核查和周期檢定中成功應用。同時，使用該測試方法應該注意選取電流探頭、衰減器和示波器的頻帶寬度一定大于10倍浪涌信號脈沖信號的頻帶寬度。

參考文獻

[1] 諾爾曼·維奧萊特.電磁兼容性手冊[M].潘飛凡，譯.成都：機械電子工業部第十研究所，1987.

[2] 陳窮.電磁兼容性工程設計手冊[M].北京：國防工業出版社，1993.

[3] 中華人民共和國工信部.GB/T17626.5?2008/IEC 61000?4?5：2005電磁兼容試驗和測量技術浪涌（沖擊）抗擾度試驗[S].北京：中國標準出版社，2008.

[4] 楊繼深.電磁兼容技術系列技術之產品研發與認證[M].北京：電子工業出版社，2004.

[5] MARDIGUIAN Michel.輻射發射控制設計技術[M].陳愛新，譯.北京：科學出版社，2008.

[6] 曲長云.王素英.GJB152A?97 軍用設備和分系統電磁發射和敏感度測量[S].北京：國防科工委軍標出版發行部，1997.

摘 要： 介紹了浪涌來源于雷電瞬態和開關瞬態，給出了模擬雷電瞬態和開關瞬態的浪涌信號發生器的主要性能指標及工作原理。根據浪涌信號發生器的性能指標及工作原理，提出了一種簡單可行的校準方法，給出了詳細的測試數據，并應用到了實際工作中。

關鍵詞： 浪涌信號發生器； 瞬態； 校準方法； 測試數據

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0087?03

0 引 言

自然界的雷電和電網中的開關切換、繼電保護裝置動作以及插頭的拔插，都會產生瞬態浪涌電壓[1]。雷擊瞬態浪涌（沖擊）電壓通過下列途徑產生：雷擊與外部電路（戶外），注入的電流流過接地電阻或外部電路阻抗而產生電壓；建筑物內、外導體上產生感應電壓和電流的間接雷擊（即云層之間或云層中的雷擊或擊于附近物體的雷擊，這種雷擊產生電磁場）；直接對地放電的雷擊入地電流，耦合到設備組接地系統的公共接地路徑[2]。因此，雷電不僅會造成戶外電子電氣設備性能下降、功能缺失，甚至被擊毀，而且對工作在室內的電子電器設備，也會造成同樣的現象。開關瞬態浪涌（沖擊）電壓由下列途徑產生：主電源系統切換騷擾，例如電容器組的切換；配電系統內在儀器附近的輕微開關動作或負荷變化；與開關裝置有關的諧振電路，例如晶閘管；各種系統故障，例如對設備組接地系統的短路和電弧故障。因此開關瞬態主要來自電子設備自身，主要通過傳導耦合途徑干擾電子設備。

遭受雷擊的電子電氣設備，不僅會引起自身性能及功能的下降，設備的燒毀，更嚴重的后果會造成電路短路，引發火災，危機整個公共電網的安全。為了評估電子電氣設備抗經公共電網耦合，或空間耦合雷擊瞬變過電壓引起的浪涌（沖擊）的能力，國際電工委員會（IEC）發布了試驗標準IEC61000?4?5，我國也制定了相應的標準GB/T17626.5“浪涌（沖擊）抗擾度試驗”。該標準規范了試驗方法、試驗等級、試驗等級的選擇原則以及試驗所需浪涌信號發生器的特性。浪涌信號發生器電流大、電壓高、頻帶寬，不能用通用儀器直接進行校準，本文提出了一種簡單易行的對比測試法校準浪涌信號發生器的短路電流。

1 信號發生器特性

1.1 信號發生器特征和性能

浪涌信號發生器應盡可能模擬雷電瞬態和開關瞬態產生的浪涌電壓，根據干擾產生的機理，當干擾源與受試設備的端口在同一線路中，例如在電源網絡中（直接耦合），信號發生器模擬一個低阻抗源；當干擾源與受試設備的端口不在同一線路中（間接耦合），信號發生器模擬一個高阻抗源。

目前，生產浪涌信號發生器的廠家主要有有瑞士EM TEST公司、美國ThermoKeyTek公司和日本NoiseKen公司。設備特性都滿足IEC61000?4?5（GB/T17626.5）標準所規定的要求，組合波信號發生器主要特征和性能如下[3]：開路輸出電壓：0.5～4.0 kV；浪涌輸出波形：如圖1所示（按GB/T16927.1的波形規定）；開路輸出電壓容差：±10%；短路輸出電流：0.25～2.0 kA；短路電流波形：如圖2所示（按GB/T16927.1的波形規定）；短路輸出電流容差：±10%；極性：正/負；內阻：2 Ω；相位偏移：隨交流電源相角在0～360°變化。

2 浪涌脈沖帶寬分析

圖1中開路電壓脈沖波形的帶寬為262 kHz，圖2中短路電流脈沖波形的帶寬為39.3 kHz。校準開路電壓脈沖波形，需要校準系統（包括電壓探頭、示波器、高壓匹配器等）的頻率帶寬應大于2 620 kHz。校準短路電流脈沖波形，需要校準系統（包括電壓探頭、示波器、高壓匹配器等）的頻率帶寬大于393 kHz。

3 校準方法

對于開路電壓的校準，可直接用高壓探頭和示波器進行測量。對于短路電流的校準，由于浪涌信號發生器短路電流呈現大電流、寬頻帶的特性，通用測量儀器無法直接進行校準，本文采取一種對比測試法，不直接用電流探頭的系數和衰減器的值（和頻率有關）計算電流幅度，而采用現場標定測量系統的電流轉換系數，然后利用電流轉換系數來校準短路電流幅值，這樣，電流探頭的寬頻特性既保證了電流波形不失真，又能準確測量短路電流幅度。

下面對EM TEST公司生產的UCS500型多功能試驗系統浪涌（沖擊）綜合信號發生器的短路電流進行校準。對于其他型號的浪涌（沖擊）發生器，也可參照此方法。

3.1 主要設備

3.2 標定電流轉換系數

3.2.1 感應電壓測定

感應電壓測量按圖4配置測量系統（示波器為50 Ω輸入阻抗），按GB/T17626.5要求的試驗等級1～4，分別設置UCS500信號源的輸出電壓[V0，]用示波器測量電流探頭感應電流在50 Ω負載上的感應電壓[VT，]測量結果見表1。

3.2.2 1.5 Ω負載電流測量

按圖5配置測量系統，示波器探頭選用高壓高阻差分探頭，輸入阻抗設為高阻，分別設置UCS500輸出電壓為500 V、1 000 V、2 000 V、4 000 V，測量1.5 Ω電阻兩端電壓[VR，]根據歐姆定律計算流過電流[IR，]結果見表2。

4 結 語

針對浪涌信號發生器的短路電流大、頻帶寬的特點，本文采用的對比測試法，利用測量系統的電流轉換系數，解決了頻域參數的測試系統測試時域信號的幅度問題，同時，寬頻帶的測試系統也保證了時域信號不失真，這樣，準確的測量浪涌脈沖信號的幅度參數和時間參數。該測試方法已在實驗室浪涌信號發生器的期間核查和周期檢定中成功應用。同時，使用該測試方法應該注意選取電流探頭、衰減器和示波器的頻帶寬度一定大于10倍浪涌信號脈沖信號的頻帶寬度。

參考文獻

[1] 諾爾曼·維奧萊特.電磁兼容性手冊[M].潘飛凡，譯.成都：機械電子工業部第十研究所，1987.

[2] 陳窮.電磁兼容性工程設計手冊[M].北京：國防工業出版社，1993.

[3] 中華人民共和國工信部.GB/T17626.5?2008/IEC 61000?4?5：2005電磁兼容試驗和測量技術浪涌（沖擊）抗擾度試驗[S].北京：中國標準出版社，2008.

[4] 楊繼深.電磁兼容技術系列技術之產品研發與認證[M].北京：電子工業出版社，2004.

[5] MARDIGUIAN Michel.輻射發射控制設計技術[M].陳愛新，譯.北京：科學出版社，2008.

[6] 曲長云.王素英.GJB152A?97 軍用設備和分系統電磁發射和敏感度測量[S].北京：國防科工委軍標出版發行部，1997.

摘 要： 介紹了浪涌來源于雷電瞬態和開關瞬態，給出了模擬雷電瞬態和開關瞬態的浪涌信號發生器的主要性能指標及工作原理。根據浪涌信號發生器的性能指標及工作原理，提出了一種簡單可行的校準方法，給出了詳細的測試數據，并應用到了實際工作中。

關鍵詞： 浪涌信號發生器； 瞬態； 校準方法； 測試數據

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0087?03

0 引 言

自然界的雷電和電網中的開關切換、繼電保護裝置動作以及插頭的拔插，都會產生瞬態浪涌電壓[1]。雷擊瞬態浪涌（沖擊）電壓通過下列途徑產生：雷擊與外部電路（戶外），注入的電流流過接地電阻或外部電路阻抗而產生電壓；建筑物內、外導體上產生感應電壓和電流的間接雷擊（即云層之間或云層中的雷擊或擊于附近物體的雷擊，這種雷擊產生電磁場）；直接對地放電的雷擊入地電流，耦合到設備組接地系統的公共接地路徑[2]。因此，雷電不僅會造成戶外電子電氣設備性能下降、功能缺失，甚至被擊毀，而且對工作在室內的電子電器設備，也會造成同樣的現象。開關瞬態浪涌（沖擊）電壓由下列途徑產生：主電源系統切換騷擾，例如電容器組的切換；配電系統內在儀器附近的輕微開關動作或負荷變化；與開關裝置有關的諧振電路，例如晶閘管；各種系統故障，例如對設備組接地系統的短路和電弧故障。因此開關瞬態主要來自電子設備自身，主要通過傳導耦合途徑干擾電子設備。

遭受雷擊的電子電氣設備，不僅會引起自身性能及功能的下降，設備的燒毀，更嚴重的后果會造成電路短路，引發火災，危機整個公共電網的安全。為了評估電子電氣設備抗經公共電網耦合，或空間耦合雷擊瞬變過電壓引起的浪涌（沖擊）的能力，國際電工委員會（IEC）發布了試驗標準IEC61000?4?5，我國也制定了相應的標準GB/T17626.5“浪涌（沖擊）抗擾度試驗”。該標準規范了試驗方法、試驗等級、試驗等級的選擇原則以及試驗所需浪涌信號發生器的特性。浪涌信號發生器電流大、電壓高、頻帶寬，不能用通用儀器直接進行校準，本文提出了一種簡單易行的對比測試法校準浪涌信號發生器的短路電流。

1 信號發生器特性

1.1 信號發生器特征和性能

浪涌信號發生器應盡可能模擬雷電瞬態和開關瞬態產生的浪涌電壓，根據干擾產生的機理，當干擾源與受試設備的端口在同一線路中，例如在電源網絡中（直接耦合），信號發生器模擬一個低阻抗源；當干擾源與受試設備的端口不在同一線路中（間接耦合），信號發生器模擬一個高阻抗源。

目前，生產浪涌信號發生器的廠家主要有有瑞士EM TEST公司、美國ThermoKeyTek公司和日本NoiseKen公司。設備特性都滿足IEC61000?4?5（GB/T17626.5）標準所規定的要求，組合波信號發生器主要特征和性能如下[3]：開路輸出電壓：0.5～4.0 kV；浪涌輸出波形：如圖1所示（按GB/T16927.1的波形規定）；開路輸出電壓容差：±10%；短路輸出電流：0.25～2.0 kA；短路電流波形：如圖2所示（按GB/T16927.1的波形規定）；短路輸出電流容差：±10%；極性：正/負；內阻：2 Ω；相位偏移：隨交流電源相角在0～360°變化。

2 浪涌脈沖帶寬分析

圖1中開路電壓脈沖波形的帶寬為262 kHz，圖2中短路電流脈沖波形的帶寬為39.3 kHz。校準開路電壓脈沖波形，需要校準系統（包括電壓探頭、示波器、高壓匹配器等）的頻率帶寬應大于2 620 kHz。校準短路電流脈沖波形，需要校準系統（包括電壓探頭、示波器、高壓匹配器等）的頻率帶寬大于393 kHz。

3 校準方法

對于開路電壓的校準，可直接用高壓探頭和示波器進行測量。對于短路電流的校準，由于浪涌信號發生器短路電流呈現大電流、寬頻帶的特性，通用測量儀器無法直接進行校準，本文采取一種對比測試法，不直接用電流探頭的系數和衰減器的值（和頻率有關）計算電流幅度，而采用現場標定測量系統的電流轉換系數，然后利用電流轉換系數來校準短路電流幅值，這樣，電流探頭的寬頻特性既保證了電流波形不失真，又能準確測量短路電流幅度。

下面對EM TEST公司生產的UCS500型多功能試驗系統浪涌（沖擊）綜合信號發生器的短路電流進行校準。對于其他型號的浪涌（沖擊）發生器，也可參照此方法。

3.1 主要設備

3.2 標定電流轉換系數

3.2.1 感應電壓測定

感應電壓測量按圖4配置測量系統（示波器為50 Ω輸入阻抗），按GB/T17626.5要求的試驗等級1～4，分別設置UCS500信號源的輸出電壓[V0，]用示波器測量電流探頭感應電流在50 Ω負載上的感應電壓[VT，]測量結果見表1。

3.2.2 1.5 Ω負載電流測量

按圖5配置測量系統，示波器探頭選用高壓高阻差分探頭，輸入阻抗設為高阻，分別設置UCS500輸出電壓為500 V、1 000 V、2 000 V、4 000 V，測量1.5 Ω電阻兩端電壓[VR，]根據歐姆定律計算流過電流[IR，]結果見表2。

4 結 語

針對浪涌信號發生器的短路電流大、頻帶寬的特點，本文采用的對比測試法，利用測量系統的電流轉換系數，解決了頻域參數的測試系統測試時域信號的幅度問題，同時，寬頻帶的測試系統也保證了時域信號不失真，這樣，準確的測量浪涌脈沖信號的幅度參數和時間參數。該測試方法已在實驗室浪涌信號發生器的期間核查和周期檢定中成功應用。同時，使用該測試方法應該注意選取電流探頭、衰減器和示波器的頻帶寬度一定大于10倍浪涌信號脈沖信號的頻帶寬度。

參考文獻

[1] 諾爾曼·維奧萊特.電磁兼容性手冊[M].潘飛凡，譯.成都：機械電子工業部第十研究所，1987.

[2] 陳窮.電磁兼容性工程設計手冊[M].北京：國防工業出版社，1993.

[3] 中華人民共和國工信部.GB/T17626.5?2008/IEC 61000?4?5：2005電磁兼容試驗和測量技術浪涌（沖擊）抗擾度試驗[S].北京：中國標準出版社，2008.

[4] 楊繼深.電磁兼容技術系列技術之產品研發與認證[M].北京：電子工業出版社，2004.

[5] MARDIGUIAN Michel.輻射發射控制設計技術[M].陳愛新，譯.北京：科學出版社，2008.

[6] 曲長云.王素英.GJB152A?97 軍用設備和分系統電磁發射和敏感度測量[S].北京：國防科工委軍標出版發行部，1997.