电快速瞬变脉冲群试验及其在

电快速瞬变脉冲群试验及其在标准化方面的最新进展脉冲群抗扰度试验是一种使用较为普遍的抗扰度试验项目，同时也是在所有抗扰度试验项目中比较难于通过的试验项目之一。

本讲座解释日常生活中的脉冲群形成机理；说明脉冲群抗扰度试验的要点；以及脉冲群抗扰度试验标准化方面的最新进展。

假定继电器绕组的稳态电流I为70mA，绕组电感L2为1H，存在于继电器绕组的层间和匝间的分布电容C2为50pF。

当开关断开时，继电器绕组的稳态电流被切断，根据电感性负载电流不能突变的原则，继电器绕组只能通过对分布电容C2的充电来保持电流的连续性。

根据能量守恒的原理（计算中未计入继电器绕组的内阻R），有1/2×L2I2＝1/2×C2U2在继电器绕组两端可能出现的电压峰值为U＝I（L2/C2）1/2＝3130.5V转换中的自谐振频率为f＝1/（2π（L2C2）1/2）＝7.118kHz分析表明，开关S断开瞬间，可在继电器绕组上产生高频衰减振荡（因绕组本身存在电阻）。

电压的幅值非常高，与供电电压相比，后者可以不计，因此，感应出来的高电压将直接出现在开关动静触点的两边。

进一步分析可以知道，在开关触点刚打开的瞬间，动静触点间的距离还很近，实际上用不着达到3130.5V，只要在继电器绕组感生出较低电压，就可以引起刚被打开的动静触点间的空气击穿，这便是第一次电弧的形成过程。

一旦在开关触点间产生电弧，动静触点瞬间变为等电位，亦即在供电线路上产生一个高电压。

与此同时，继电器绕组的分布电容C2要通过电弧、供电线路和供电电源进行放电，由于放电的时间常数很小，因此放电很快结束，本次放电的电弧也就阻断，而在供电线路上可以见到一个非常短暂的小脉冲。

这时整个电路又回复到继电器绕组电感L2中能量向分布电容C2的转移，继电器绕组两端第2次出现高压。

由于动静触点的距离在逐渐拉大，尽管第2次触点间的放电可以形成，但放电电压要适当提高，放电的等待时间将适当增长。

以上情况将要一次次继续，放电电压一次次提高，放电间隔时间一次次增长，直到触点间的距离大到使分布电容C2上的电压不能击穿为止。

上述瞬变干扰的形成还与被切接的继电器类型有关，下表给出了测试的结果。

由于机电式元件，比如继电器，常常安装于接近电子和电气设备的地方。

当机械触点将未加抑制的回路断开时，会产生高幅值快速瞬变干扰电压，它们将直接耦合到电源和地线，并通过电感和电容耦合间接耦合到信号电缆。

对于低电压、小功率回路的控制，当我们在断开感性回路的电流时，那怕只断开很小的电流（几毫安）和很低的电压（几伏），也照样可以引起很高的干扰电压，产生严重的骚扰。

它们主要是通过电容耦合的形式，以共模电压出现在附近的线路中。

当然在变电站里，断路器和隔离开关的操作可以引起电弧。

这种断开操作也会产生瞬变，但它与上面讲到的这种高频、高速的脉冲有很大不同，这种类型的干扰瞬变较慢，却具有很高的能量，主要是影响设备的接地系统和电源系统，但也会耦合到信号电缆。

实践表明，设备在所处的环境受到的干扰不仅与现场安装设备产生的干扰有关，还与设备正常安装（即电源、位置、电缆类型、接地、屏蔽、滤波等等）的耦合情况有关。

对于这种因机械开关切换电感性负载而形成小脉冲，尽管单个脉冲的能量较小，但脉冲成群出现，脉冲的重复频率较高，脉冲波形的上升时间短暂，一般不会造成设备故障，但使设备产生误动作的情况经常可见。

根据国外专家的研究，认为成群出现的脉冲干扰之所以会造成设备的误动作，是因为脉冲群对线路中半导体器件结电容的充电，当结电容上的能量积累到一定程度，便会引起线路（乃至设备）的误动作。

由于尖峰脉冲串对电网中电子设备的干扰作用是明显的，所以在IEC61000-4系列标准中（对应于我国的电磁兼容系列标准GB/T17626）专门用一个分标准来模拟电网中机械开关对电感性负载切换时所引起的干扰，从而完成对电气和电子设备在抗击电快速瞬变脉冲群性能方面的考核。

脉冲群发生器的基本技术指标是：脉冲上升时间（指10%至90%）：5ns±30%（50Ω匹配时测）；脉冲持续时间（前沿50%至后沿50%）：50ns±30%（50Ω匹配时测）；脉冲重复频率：5kHz或2.5kHz；脉冲群持续时间：15ms；脉冲群重复周期：300ms；发生器开路输出电压：0.25～4kVP；发生器动态输出阻抗：50Ω±20%；输出脉冲的极性：正/负；发生器与电源的关系：异步。

其中，脉冲群发生器的重复频率选择与试验电压有关：0～2kV用5kHz；4kV用2.5kHz。

这个网络提供了在不对称条件下把试验电压施加到受试设备的电源端口的能力。

这里所谓不对称干扰是指线（电源线）与大地之间的干扰。

作为佐证，在图7中可以看到从试验发生器来的信号电缆芯线通过可供选择的耦合电容加到相应的电源线（L1、L2、L3、N及PE）上，信号电缆的屏蔽层则和耦合/去耦网络的机壳相连，机壳则接到参考接地端子上。

这就表明脉冲群干扰实际上是加在电源线与参考地之间，因此加在电源线上的干扰是共模干扰。

耦合夹的两端各有一个高压同轴接头，用其最靠近受试设备的这一端与发生器通过同轴电缆连接。

从图中可以看出，高压同轴接头的芯线与下层耦合板相连，同轴接头的外壳与耦合夹的底板相通，而耦合夹放在参考接地板上。

这一结构表明，高压脉冲将通过耦合板与受试电缆之间的分布电容进入受试电缆，而受试电缆所接收到的脉冲仍然是相对参考接地板来说的（耦合夹是放在参考接地板上的）。

因此，通过耦合夹对受试电缆所施加的干扰仍然是共模性质的。

前面我们了重点讨论了脉冲群干扰是共模干扰。

其实明确脉冲群干扰的性质非常重要：首先，这与试验方法有关。

既然是共模干扰，就一定要与参考接地板关联在一起，离开了参考接地板，共模干扰将加不到受试设备去。

其次，既然脉冲群抗扰度试验是抗共模干扰试验，这就决定了试验人员在处理干扰（提高受试设备的抗扰度性能）时，必须采用针对共模干扰的有效措施。

3.3 其他必须的配置本节主要讨论参考接地板和仪器以及试品三者之间的布局关系。

①参考接地板用厚度为0.25mm以上的铜板或铝板（普通铝板易氧化，宜慎用）；用其他金属板材，厚度要大于0.65mm。

接地板尺寸取决于试验仪器和试品，以及仪器与试品间所规定的接线距离（1m）。

参考接地板的各边至少应比上述组合超出0.1m。

参考接地板应与实验室的保护地相连。

②试验仪器（包括脉冲群发生器和耦合/去耦网络）放在参考接地板上。

试验仪器用尽可能粗短的接地电缆与参考接地板连接，并要求在连接处的阻抗尽可能地小。

③试品用0.1±0.01m的绝缘座隔开后放在参考接地板上（如果是台式设备，则应放置在离参考接地板高度为0.8±0.08m的木头台子上），试品（或试验台子）距参考接地板边缘的最小尺寸满足项①（0.1m）的规定。

试品应接照安装规范进行布置和连接，以满足它的功能要求。

另外，试品应按照制造商的安装规范将接地电缆以尽量小的接地阻抗连接到参考接地板上（注意，不允许有额外的接地情况出现）。

当试品只有两根电源进线（单相，一根L，另一根N），而且不设专门接地线时，试品就不能在试验时再单独拉一根接地线。

同样，试品如通过三芯电源进线（单相，一根L，一根N，及一根电气接地线），而未设专门接地线时，则此试品也不允许另外再设接地线来接地，而且试品的这根电气接地线还必须经受抗扰度试验。

④试品与试验仪器之间的相对距离以及电源连线的长度都控制在1m，电源线的离地高度控制在0.1m，如有可能，最好用一个木制支架来摆放电源线。

当试品的电源线为不可拆卸时，而且长度超过1m，那么超长部分应当挽成直径为0.4m的扁平线圈，并行地放置在离参考地上方0.1m处，试品与仪器之间的距离仍控制为1m。

标准还规定，上述电源线不应采用屏蔽线，但电源线的绝缘应良好。

⑤试验应在试验室中央进行，除位于试品及试验仪器下方的参考接地板外，它们与其他所有导电性结构（例如屏蔽室里的墙壁和实验室里的其他有金属结构的试验仪器和设备）之间的最小距离为0.5m，⑥当使用耦合夹做被试系统抗扰度试验时，耦合夹应放在参考接地板上，耦合夹到接地板边缘的最小尺寸为0.1m。

同样，除位于耦合夹下方的接地板外，耦合夹与其它导电性结构间的最小距离是0.5m，见下图所示。

如果试验针对系统中的一台设备（如试品1）的抗扰度测试，则耦合夹与试品1的距离保持不变，而将与试品2的距离增至5m以上（标准认为长导线足以使线路上的脉冲损耗殆尽）。

反之，则接线要求也反过来。

4. 实验室的型式试验标准提到，脉冲群抗扰度试验有实验室型式试验和现场试验两种。

标准承认的是实验室型式试验。

本节讲述实验室型式试验。

4. 1 试验方法对电源线，通过耦合/去耦网络来施加试验电压。

对信号线、控制线通过电容耦合夹来施加试验电压。

脉冲群试验是利用干扰对线路结电容充电，当其能量积累到一定程度，就可能引起线路（乃至系统）出错。

因此线路出错有个过程，而且有一定偶然性，不能保证间隔多少时间必定出错，特别是当试验电压接近临界值时。

为此，一些产品标准规定电源线上的试验是在线—地之间进行，要求每一根线在一种试验电压极性下做三次试验，每次一分钟，中间间隔一分钟；一种极性做完，要换做另一种极性。

一根线做完，再换做另一根线。

当然也可以把脉冲同时注入两根线，甚至几根线。

由于脉冲群信号在电源线上的传输过程十分复杂，很难判断究竟是分别加脉冲，还是一起加脉冲，设备更容易失效。

因此，同时加脉冲也仅仅是一种试验形式而己，最终要由试验来下结论。

另一些标准（如GB4343.2），规定一根线上先加2分钟正极性脉冲，稍事休息，再加2分钟负脉冲。

可见不同标准有不同规定，但都有相对较长的试验过程，以避免偶然性。

并通过多种组合来暴露隐患。

通常试品只对其中一根线和一个极性的试验比较敏感。

4.2 试验中的注意点试验配置的规范性非常重要，首先，没有参考接地板，干扰就加不到试品去；其次，没有足够大的接地板，就不能保证试验结果的正确性。

另外，由于脉冲群的单个脉冲前沿达到5ns，半宽达到50ns，说明其中含有极其丰富的谐波成分，幅度较大的频率至少要达到60MHz以上。

对电源线来说，那怕长度只有1m，由于长度已可和传输频率的波长相比，已不能以普通电源线对待，信号在上面传输时，部分仍通过线路进入试品（传导）；部分要从线路逸出，成为辐射信号进入试品（辐射）。

故试品受到的干扰实际上是传导与辐射的结合。

传导与辐射的比例将与电源线长度有关：线路短，传导多；线路长，辐射强。

而且辐射强弱还和电源线与参考接地板的贴近程度有关（反映为线路与参考地之间的分布电容），线路离接地板近，分布电容大（容抗小），干扰不易以辐射方式逸出；反之亦反。

因此，试验用电源线的长度、离参考接地板的高度，乃至电源线与试品的相对位置，都可以成为影响试验结果的因素。