4.4 浪涌抗擾度試驗

浪涌抗擾度試驗的國家標準為GB/T17626.5，國內在1999年和2008年出過兩個版本，分別與國際標準IEC61000—4—5：1995和IEC61000—4—5：2001相等同。由于國內多數產品標準尚未修訂，所以目前GB/T17626.5—1999和GB/T17626.5—2008這兩個標準在國內是并存的。在浪涌抗擾度試驗的標準介紹中，以GB/T17626.5—1999為主，后面將說明GB/T17626.5-2008與它的差異。

4.4.1 浪涌抗擾度試驗問題的提出

雷擊是極其普通的自然現象，據統計，全世界有4萬多個雷暴中心，每天有800萬次雷擊，這意味著地球上每秒有100次左右的雷擊發生。因此，電氣和電子設備的抗擊浪涌試驗對于評定設備的電源線、輸入/輸出線、通信線在遭受高能量脈沖干擾時可建立一共同的依據。

標準主要模擬間接雷擊（設備通常都無法經受直接雷擊），如：① 雷電擊中外部（戶外）線路，有大量電流流入外部線路或接地電阻，因而產生的干擾電壓；② 間接雷擊（如云層間或云層內的雷擊）在外部線路上感應出的電壓和電流；③ 雷電擊中線路鄰近物體，在其周圍建立的強大電磁場，在外部線路上感應出電壓；④ 雷電擊中附近地面，地電流通過公共接地系統時所引進的干擾。

浪涌抗擾度試驗標準除模擬自然界的雷擊外，還提到了變電所等場合，因為開關動作而引進的干擾（切換瞬變），如：①主電源系統切換時的干擾（如電容器組的切換）；②同一電網，在靠近設備附近的一些較小開關跳動時形成的干擾；③ 切換伴有諧振線路的晶閘管設備；④ 各種系統性的故障，如設備接地網絡或接地系統間的短路和飛弧故障。

4.4.2 浪涌發生器

標準描述了兩種不同的浪涌波發生器：一種是雷擊在電源線上感應產生的波形；另一種是在通信線路上感應產生的波形。雖然兩種線路都是架空線，但線路阻抗明顯不同：電源線的阻抗低；通信線的阻抗高。因此感應出來的雷擊浪涌波形也明顯不同：在電源線上的浪涌波形要窄一些，前沿要陡一些；而通信線上的浪涌波要寬一些，前沿要平一些。由于開關電源試驗主要是考慮從電源線引入的雷擊浪涌干擾，所以本節也只介紹電源線試驗的雷擊浪涌發生器。

用于電源線路上試驗的浪涌發生器又稱為“綜合波發生器”，這是指在一個發生器里可提供兩個波形：發生器在輸出開路的時候提供電壓波；發生器在輸出短路的時候提供電流波。由于將兩個波形“綜合”在一個發生器里發生，所以這個發生器被稱為“綜合波發生器”。

圖4.27所示為綜合波發生器的線路簡圖。圖中Cc是儲能電容，其實際容量在10μF左右（可以算出，4kV時的單個脈沖能量要接近100J。這幾乎是同等電壓的脈沖群單個脈沖能量的105倍。由此可見，雷擊浪涌試驗代表了一種高能量的脈沖干擾抗擾度試驗）；電壓波的寬度主要由波形形成電阻Rs1決定；阻抗匹配電阻Rm則決定了發生器的開路電壓峰值與短路電流峰值的比例，在這里稱為輸出阻抗，標準規定為2Ω（因此，開路電壓的峰值為4kV時，則短路電流的峰值為2kA）；電流波的上升與持續時間主要由波形形成電感來決定。

圖4.28給出了綜合波發生器的波形定義，按照標準規定，電壓波的前沿為1.2μs± 30%，半峰值時間（又稱半寬時間或脈沖持續時間）為50μs±20%；電流波的前沿為8μs ±20%，半峰值時間為20μs±20%。

標準對綜合波發生器的基本要求如下。

（1）開路輸出電壓（±10%）：0.5～4kVP；

（2）短路輸出電流（±10%）：0.25～2kAP；

（3）發生器內阻：2Ω（這是聯系開路電壓波和短路電流波的關鍵），可附加電阻10Ω或40Ω，以形成12Ω或42Ω的內阻；

（4）浪涌輸出極性：正/負；

（5）浪涌移相范圍：0°～360°（浪涌輸出與電源同步時）；

（6）最大重復頻率：至少每分鐘1次。

4.4.3 浪涌抗擾度試驗

1.試驗配置

由于雷擊浪涌試驗用的電壓和電流波形較寬、前沿較緩，所以實驗室的配置要簡單一些。

本節主要介紹產品標準上使用較多的電源線抗擾度試驗，所采用的浪涌波是綜合波。圖4.29所示是單相線路上的共模和差模試驗簡圖。圖中的耦合/去耦網絡與脈沖群試驗有點相似，但由于雷擊浪涌波的波形較寬、前沿較緩，說明波形中的高頻成分不及脈沖群豐富，所以圖示耦合/去耦網絡的元件參數值要遠大于脈沖群試驗線路的參數，兩者不能互相替代。

從圖4.29中還可以看出，做差模試驗和共模試驗的耦合/去耦網絡是不同的，差模試驗的耦合電容是18μF；共模試驗的耦合電路則由電容和電阻串聯組成，其中電容為9μF，電阻為10Ω。去耦電路中的電感取1.5mH。

標準還規定：① 在被試設備未接的情況下，在未加浪涌的這路電源線上，它的殘余脈沖不超過所加入電壓波的15%；② 在被試設備和試驗電源未接的情況下，漏到去耦網絡輸入端的殘余脈沖不超過所加電壓波的15%，或不超過電源線電壓峰值的兩倍，允許兩者之中取大者。這些規定，實際上是浪涌設備制造商對去耦電容的選擇依據（標準未規定共模和差模去耦電容的實際值）。

對于耦合/去耦網絡和被試設備間的接線，其長度應為2m或更短。過長的接線會造成輸出波形的衰減和畸變。

2.試驗方法

（1）根據試品的實際使用和安裝條件進行布局和配置（也包括有些標準會改變體現波形發生器信號源內阻的附加電阻）。

（2）根據產品要求來定試驗電壓的等級及試驗部位。

（3）在每個選定的試驗部位上，正、負極性的干擾至少要各加5次，每次浪涌的最大重復率為1次/min（因為大多數系統用的保護裝置在兩次浪涌之間要有一個恢復期，所以設備在做雷擊浪涌試驗時存在一個最大重復率的問題）。

（4）對于由交流供電的設備，還要考慮浪涌波的注入是否要與電源電壓同步的問題。如無特殊規定，通常要求在電源電壓波形的過零點和正、負峰點的位置上疊加浪涌信號。

（5）考慮到被試設備電壓-電流轉換特性的非線性，試驗電壓應該逐步增加到產品標準的規定值，以避免試驗中可能出現的假象（在高試驗電壓時，因為被試設備中可能有某個薄弱器件擊穿，旁路了試驗電壓，致使試驗得以通過。然而在低試驗電壓時，由于薄弱器件未被擊穿，所以試驗電壓以全電壓加在試驗設備上，反而使試驗無法通過）。

（6）浪涌要加在線-線或線-地之間。如果要進行的是線-地試驗，且無特殊規定，則試驗電壓要依次加在每一根線與地之間。但要注意：在做線-地試驗時，有時出現標準要求將干擾同時疊加在2根或多根線對地的情況，這時脈沖的持續時間允許減小一些。

（7）由于試驗可能是破壞性的，所以決不要使試驗電壓超過規定值。

3.試驗等級

試驗的嚴酷度等級分為1、2、3、4和X級。電源線差模試驗的1級參數未給，其余各級分別為0.5kV、1kV、2kV及待定。電源線共模試驗的各級參數為0.5kV、1kV、2kV、4kV及待定。

試驗的嚴酷度等級取決于環境（遭受浪涌可能性的環境）及安裝條件，大體分類如下。

1級：較好保護的環境，如工廠或電站的控制室。

2級：有一定保護的環境，如無強干擾的工廠。

3級：普通的電磁騷擾環境，對設備未規定特殊安裝要求，如普通安裝的電纜網絡，工業性的工作場所和變電所。

4級：受嚴重騷擾的環境，如民用架空線，未加保護的高壓變電所。

X級：特殊級，由用戶和制造商協商后確定。

具體產品選用哪一級，一般由產品標準定。

4.4.4 新版國家浪涌抗擾度試驗標準（GB/T17626.5—2008）介紹

新的國家浪涌抗擾度試驗標準于2008年頒布，它等同于國際上的IEC61000—4—5：2005標準。

應該說新版與舊版標準相比還是有了不小的改動，但是這種改動更多的是反映在通信線路的抗擾度試驗上，關于這方面的內容就不介紹了。這里只介紹與電源線抗擾度試驗有關的內容，是有關于浪涌波經過電源線耦合/去耦網絡后，在被試設備電源端口上的電壓波形和電流波形的變動范圍的要求。

新舊兩個版本的標準在綜合波發生器的基本參數上沒有什么不同。但是兩個標準的一個重要差異是新版標準提出了要在耦合/去耦網絡的被試設備電源端口上校驗電壓和電流波形（包括波形的前沿和半峰值持續時間）。這在舊標準里是沒有提到的。

新版標準中提出上述內容是非常重要的：當耦合/去耦網絡與發生器配合使用時，耦合/去耦網絡在一定程度上也成了發生器的負載。由于發生器產生的波形相對緩慢，電壓波為1.2μs/50μs，電流波為8μs/20μs，意味著這些波形所包含的諧波成分不算太高，所以去耦網絡中由電感形成的感抗值也有限，這必然使耦合/去耦網絡成為發生器負載中不可忽視的部分，而且這個負載將同時參與綜合波中的電壓和電流波形的形成。很顯然，這與單獨由發生器去形成電壓波和電流波是完全不同的概念，因此，在耦合/去耦網絡的被試設備端口處的波形發生變化是不可避免的。在新版標準中給出了波形變化的允許范圍，這實際規范了不同品牌儀器在制作上的誤差；同時也增加浪涌試驗時試驗結果的可比性和重復性。

新版標準規定，在波形校驗時，浪涌發生器的輸出和耦合網絡的輸出端子要接到有足夠帶寬且有足夠電壓容量的測量系統中，以便監視開路電壓的波形。在AC和DC電源線配置的耦合/去耦網絡輸出端的開路電壓波形與耦合模式（線-線或線-地）有關。耦合電路的參數是：線-線（差模試驗）為18μF；線-地（共模試驗）為9μF+10Ω。

去耦電感由浪涌發生器的制造商選擇，但在額定電流下，耦合/去耦網絡在被試設備端口處的電源壓降應小于10%。同時，去耦電感的值不應超過1.5mH。

為了避免在耦合/去耦網絡上有不希望產生的電壓降落現象出現，當電流＞25A時，耦合/去耦網絡中的去耦元件（去耦電感）的值要適當減小，因此，開路電壓波形的半峰值時間允許按照表4.10和表4.11中所規定的參數進行變化（在耦合/去耦網絡的輸出端對波形的下沖或過沖沒有限制）。

值得一提的是，新標準對于耦合/去耦網絡電源輸入端的殘余電壓，以及未加浪涌這幾條線路的串擾電壓的要求沒有發生變化。

新標準中的這些內容對儀器制造商和儀器的操作人員來說都是至關重要的，它增加了這個標準的可操作性。

4.4.5 浪涌抗擾度試驗標準的點評

（1）現在有不少標準都提到用1.2μs/50μs雷擊波做試驗的情況，但標準不同，做試驗的目的也不同。例如，高壓試驗也提到雷擊試驗，這是做脈沖耐壓試驗，用的發生器是高電壓、高阻抗的。此時盡管發生器電壓很高，但能量并不大。而且這種試驗是在設備離線狀態（不工作狀態）下進行的。反之，對于GB/T17626.5標準，它強調做在線設備的浪涌抗擾度試驗。由于線路阻抗低，所以發生器的輸出阻抗也要求低。這樣看來，適合做浪涌抗擾度試驗的發生器，除了要有足夠高的輸出電壓外，還要求發生器有低輸出阻抗和能量輸出大的特點。而且由于設備是在線狀態（設備工作的狀態）進行試驗，必須要用到耦合/去耦網絡。可見上述兩種試驗是截然不同的，絕對不能混為一談。

（2）即使同樣做設備的雷擊浪涌抗擾度試驗，不同的試驗方法和試驗目的所用的耦合/去耦網絡參數也是不同的。例如，用于電源線抗差模干擾的試驗，由于線路阻抗很低，標準規定其耦合電容用18μF，發生器的內阻用2Ω，這代表了低電壓電源網絡的信號源差模阻抗。對抗共模干擾試驗，標準規定要在發生器的輸出回路中串聯一個10Ω的電阻，把它作為低電壓電源網絡的信號源共模阻抗。對于其他一些試驗，如信號線上的雷擊浪涌抗擾度試驗，由于信號線阻抗比電源線要高出許多，所以發生器要附加一個40Ω的串聯電阻，用于代表在其他線路上（除電源線外）的對地阻抗。

（3）即使是同一個試驗，在不同國家里，由于國情不同，標準的細節也不盡相同。例如，在電源線上做共模試驗，美國考慮其低壓電網中線的接地情況不同，所以標準（ANSI/IEEEC62.41）運用時將上述10Ω串聯電阻取消了，它的耦合電路只有一個9μF的電容（發生器的2Ω輸出阻抗仍保留）。由于發生器的等效內阻減小，所以美國標準的共模試驗比我國的GB/T17626.5和國際的IEC61000—4—5標準要嚴格得多。

由此可知，為保證試驗結果的準確性，試驗人員必須嚴格掌握試驗中的每一細節。