電源線(xiàn)尖峰信號(hào)的分析與測(cè)試

夏 偉 孫朝斌 沈小青 余清華 王志虎

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 214431)

電源線(xiàn)尖峰信號(hào)的分析與測(cè)試

夏 偉 孫朝斌 沈小青 余清華 王志虎

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 214431)

針對(duì)感性負(fù)載在電源線(xiàn)尖峰信號(hào)試驗(yàn)過(guò)程中存在峰值難以捕獲的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)感性負(fù)載在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性分析，研究了電源線(xiàn)尖峰信號(hào)的形成機(jī)理和影響因素，在此基礎(chǔ)上，提出了在直流條件下電源線(xiàn)尖峰信號(hào)的替代測(cè)試方法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，直流替代測(cè)試方法與理論結(jié)果基本一致，可用于解決標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法的最大峰值隨機(jī)問(wèn)題，極大壓縮峰值信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，有效降低測(cè)試過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)水平，對(duì)于電源線(xiàn)傳導(dǎo)干擾的測(cè)試分析具有參考意義。

尖峰信號(hào) 電源線(xiàn) 感性負(fù)載 傳導(dǎo)干擾

1 引 言

隨著電源供電技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶(hù)對(duì)用電質(zhì)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(wǎng)對(duì)用戶(hù)優(yōu)質(zhì)安全不間斷供電所考慮的主要問(wèn)題[1]。其中與電氣設(shè)備開(kāi)關(guān)瞬間相關(guān)的電源線(xiàn)傳導(dǎo)干擾是電力系統(tǒng)中的多發(fā)事件，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和研究表明，此類(lèi)干擾信號(hào)容易引起以微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的自動(dòng)化設(shè)備的誤操作或者損傷[2]。在上述干擾案例中，產(chǎn)生干擾的電氣設(shè)備以感性負(fù)載較為典型，比如常見(jiàn)電動(dòng)機(jī)、變壓器、繼電器及日光燈等電氣設(shè)備，這類(lèi)產(chǎn)品在啟動(dòng)時(shí)需要一個(gè)比正常工作時(shí)大得多的啟動(dòng)電流，容易引起斷電保護(hù)動(dòng)作，而在上述設(shè)備關(guān)閉時(shí)，又容易形成電壓尖峰信號(hào)，對(duì)電網(wǎng)其它用電設(shè)備造成干擾。

對(duì)于上述傳導(dǎo)干擾問(wèn)題，一般通過(guò)相關(guān)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估，其中RTCA/DO-160F、GJB151A/152A-97和GJB181-86都涉及了電源線(xiàn)尖峰信號(hào)的傳導(dǎo)干擾試驗(yàn)項(xiàng)目[3]。但在具體實(shí)施過(guò)程中，由于需要對(duì)受試設(shè)備進(jìn)行多次開(kāi)關(guān)，因此也存在一些問(wèn)題，一是上述干擾信號(hào)的形成與開(kāi)關(guān)動(dòng)作的電壓瞬時(shí)值相關(guān)，隨機(jī)開(kāi)關(guān)試驗(yàn)往往難以遍歷所有狀態(tài)，使得干擾信號(hào)的最大峰值難以捕獲；二是對(duì)于一些大功率設(shè)備或者其它昂貴的專(zhuān)業(yè)設(shè)備，因多次開(kāi)關(guān)試驗(yàn)存在不確定風(fēng)險(xiǎn)性而受到限制。如上所述，傳導(dǎo)干擾試驗(yàn)中伴隨有動(dòng)態(tài)大電流或高電壓等危險(xiǎn)因素，在一定程度上限制了其應(yīng)用場(chǎng)合，因此，是否可以在靜態(tài)條件下對(duì)受試設(shè)備相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算完成電源線(xiàn)尖峰信號(hào)特性的評(píng)估，便是本文所要解決的問(wèn)題。

2 電源線(xiàn)尖峰信號(hào)的形成機(jī)理

在上述感性負(fù)載電源線(xiàn)尖峰信號(hào)干擾案例中，以電機(jī)類(lèi)設(shè)備最為典型，相關(guān)研究也較多。從感應(yīng)電機(jī)端過(guò)電壓的分析與預(yù)測(cè)出發(fā)，給出了感應(yīng)電機(jī)的高頻模型[4～9]。從直流電機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)和物理性能出發(fā),建立了電機(jī)繞組的高頻分析模型[9],但這種建模方法必須知道電機(jī)繞組的幾何結(jié)構(gòu)。建立了一種直流電機(jī)高頻模型[11],該模型考慮了電樞繞組的集膚效應(yīng)和鐵心的渦流效應(yīng),因此處理電機(jī)主電感的過(guò)程較為復(fù)雜。上述文獻(xiàn)研究多其中于電機(jī)的高頻模型和穩(wěn)態(tài)條件下傳導(dǎo)干擾問(wèn)題的分析與預(yù)測(cè)，對(duì)于開(kāi)關(guān)瞬間的動(dòng)態(tài)特性分析較少，且模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元件參數(shù)難以確定，并不適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用。

下面采用等效集總參數(shù)電路來(lái)模擬分布參數(shù)的影響[12]，建立電機(jī)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(zhì)損耗的高頻損耗電阻；Cg為繞組與電機(jī)外殼的耦合電容，E為交流電源。

考慮電機(jī)繞組電感L和電阻r支路為傳導(dǎo)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(jiǎn)化等效電路模型圖1(b)，下面分析電機(jī)開(kāi)關(guān)過(guò)程中電源線(xiàn)尖峰信號(hào)的形成機(jī)理。

2.1開(kāi)關(guān)閉合過(guò)渡過(guò)程分析

電路如圖1(b)所示，設(shè)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)電源瞬時(shí)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(kāi)關(guān)S閉合后通過(guò)電感L的電流IL的零狀態(tài)響應(yīng)，則根據(jù)KVL方程有

(2)

根據(jù)動(dòng)態(tài)電路的時(shí)域分析理論[13]，當(dāng)正弦激勵(lì)作用于一階電路時(shí)，其響應(yīng)為穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量之和。對(duì)于有損耗的動(dòng)態(tài)電路，其穩(wěn)態(tài)分量是與正弦激勵(lì)同頻率的正弦量，因此可設(shè)穩(wěn)態(tài)分量為

ILp(t)=ILmsin (ωt+θi)

(3)

式中待定系數(shù)ILm和θi為

(4)

(5)

其暫態(tài)分量可由式(2)對(duì)應(yīng)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(yīng)

ILt=ILmsin(ωt+θi)+Ae-t/τ

(6)

根據(jù)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(lián)電路接通正弦交流電源時(shí)，過(guò)渡過(guò)程中電感電流是由一個(gè)正弦交流穩(wěn)態(tài)分量與一個(gè)按指數(shù)規(guī)律衰減且方向不變的暫態(tài)分量迭加而成，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，暫態(tài)分量逐漸衰減而趨于零，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，這時(shí)電感電流趨近于正弦穩(wěn)態(tài)電流。

由上面分析可以看出，不論何時(shí)開(kāi)關(guān)S閉合，暫態(tài)分量起始值ILq0+與穩(wěn)態(tài)分量起始值ILp0+大小相等符合相反，保證了電感電流在開(kāi)關(guān)閉合時(shí)不發(fā)生躍變。由此可知，暫態(tài)分量起始值主要由穩(wěn)態(tài)分量起始值決定，而穩(wěn)態(tài)分量起始值主要由其相位角θi決定。

2.2開(kāi)關(guān)斷開(kāi)過(guò)渡過(guò)程分析

電路如圖1(b)所示，設(shè)開(kāi)關(guān)S閉合，電感電流IL進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過(guò)程，下面分析斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S時(shí)阻抗R兩端電壓的變化規(guī)律，設(shè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)時(shí)間為t0，由于此時(shí)電路已進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，則根據(jù)式(8)可得

ILt0=ILmsin(ωt0+θi)

(9)

根據(jù)電感元件換路定律有ILt0+=ILt0-=ILt0，因此當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)R兩端電壓為

URt0+=-ILt0R

(10)

此時(shí)時(shí)間常數(shù)為

(11)

由動(dòng)態(tài)電路三要素公式得

(12)

?Umsinωt0+θi

(13)

3 電源線(xiàn)尖峰信號(hào)測(cè)試方法分析與設(shè)計(jì)

由上述分析可知，感性負(fù)載在開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中都可能對(duì)同一電網(wǎng)中其它設(shè)備產(chǎn)生干擾或引起故障損壞，因此，對(duì)于可靠性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，有必要對(duì)此類(lèi)電源線(xiàn)尖峰信號(hào)的傳導(dǎo)干擾發(fā)射進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估，確保設(shè)備電磁兼容性滿(mǎn)足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。正如上文所述，由于干擾尖峰信號(hào)與設(shè)備開(kāi)關(guān)時(shí)機(jī)、被測(cè)設(shè)備輸入阻抗參數(shù)和測(cè)試耦合網(wǎng)絡(luò)參數(shù)都有關(guān)系，一般少量有限次數(shù)的開(kāi)關(guān)試驗(yàn)難以捕獲尖峰信號(hào)的最大峰值，使得相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)往往難以取得預(yù)期效果，文獻(xiàn)[14]也對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了論述。

針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)對(duì)GJB152A-1997 CE107電源線(xiàn)尖峰信號(hào)傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試方法分析，提出了電源線(xiàn)尖峰信號(hào)測(cè)試方案設(shè)計(jì)。CE107電源線(xiàn)尖峰信號(hào)傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試方法分為尖峰電流和尖峰電壓兩種，其測(cè)試原理如下圖3圖4所示，其中C1、C2、L4、L5為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試耦合網(wǎng)絡(luò)，L1和R2為受試感性負(fù)載，詳細(xì)測(cè)試方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3]。

3.1電流尖峰測(cè)試方法分析與設(shè)計(jì)

由式(8)可知，開(kāi)關(guān)閉合瞬間感性負(fù)載主要表現(xiàn)為電流尖峰，當(dāng)穩(wěn)態(tài)分量相位角為±π/2時(shí)，電流峰值最大，此時(shí)電流尖峰主要由穩(wěn)態(tài)分量的幅值和暫態(tài)分量的時(shí)間常數(shù)決定，如下式所示。

ILt=ILmsin (ωt±π/2)?ILme-t/τ

(14)

因此本文測(cè)試方法設(shè)計(jì)分為如下三步：

(1)按圖3所述進(jìn)行測(cè)量設(shè)備布置，開(kāi)關(guān)S1閉合，使用電流探頭和示波器測(cè)得電路穩(wěn)態(tài)電流幅值ILm；

(3)使用式(14)估算開(kāi)關(guān)閉合瞬間的尖峰電流。

3.2電壓尖峰測(cè)試方法分析與設(shè)計(jì)

由式(12)可知，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間感性負(fù)載主要表現(xiàn)為電壓尖峰，此時(shí)測(cè)試耦合端電壓UR與負(fù)載端電流ILmsin (ωt0+θi)符合類(lèi)似歐姆定律的電壓電流比例關(guān)系，由于通常受試設(shè)備工作于交流電源，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間負(fù)載端電流的隨機(jī)性造成了測(cè)試耦合端電壓的隨機(jī)性，因此，本文設(shè)計(jì)測(cè)試方法首先使用低壓直流電源進(jìn)行測(cè)試，獲得測(cè)試耦合端電壓URDC與負(fù)載端電流ILDC比例關(guān)系，再通過(guò)下式估算實(shí)際交流電源情況下的電壓尖峰。

(15)

4 尖峰信號(hào)測(cè)試仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所述方法的正確性，設(shè)計(jì)如下仿真實(shí)驗(yàn)，以圖3和圖4所示尖峰信號(hào)測(cè)試方案為例，使用NI Multisim14.0電路仿真軟件構(gòu)建測(cè)試電路模型，分別對(duì)電流尖峰和電壓尖峰測(cè)試方法的有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

4.1閉路電流尖峰測(cè)試仿真驗(yàn)證

根據(jù)圖3建立仿真電路模型，其中L1、R2為受試設(shè)備，C1、C2為傳導(dǎo)耦合網(wǎng)絡(luò)，U1為交流電源。改變電源U1的初相Phase參數(shù)，測(cè)得閉路尖峰電流波形圖；使用直流電源代替交流電源，測(cè)得電路時(shí)間常數(shù),使用式(14)估算開(kāi)關(guān)閉合瞬間的電流尖峰，驗(yàn)證在交直流不同條件下電流尖峰估計(jì)值與理論值的一致性。

根據(jù)本文2.1條分析可知，電流尖峰幅度與開(kāi)關(guān)閉合瞬間的交流電源相位和負(fù)載電路參數(shù)都相關(guān)，根據(jù)圖3電路參數(shù)代入式(5)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 閉路電流尖峰與相位關(guān)系表

根據(jù)表1相位關(guān)系以電流尖峰負(fù)向最大值為例進(jìn)行開(kāi)關(guān)閉合仿真，結(jié)果如圖5所示。

使用直流1V電源代替交流電源，零狀態(tài)直流響應(yīng)如圖6所示，由圖可知負(fù)載電路時(shí)間常數(shù)為22.867 8ms，根據(jù)圖5所示，開(kāi)關(guān)閉合瞬間電路電流穩(wěn)態(tài)分量幅值ILm為4.263 5A，把上述參數(shù)代入式(14)可得開(kāi)關(guān)閉合瞬間電流尖峰波形估計(jì)如圖7所示。

由圖可知，圖5電流尖峰仿真結(jié)果為-7.043 8A，圖7電流尖峰估計(jì)值為-7.032 7A，誤差約為-0.16%，說(shuō)明上述交直流替換估計(jì)開(kāi)關(guān)閉合瞬間電流尖峰是正確可行的。上述實(shí)驗(yàn)同時(shí)表明，閉路電流尖峰主要與測(cè)試電路時(shí)間常數(shù)相關(guān)，當(dāng)時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于交流信號(hào)周期值時(shí)，由于暫態(tài)分量持續(xù)時(shí)間很短，因此，電流尖峰將不會(huì)出現(xiàn)。

4.2開(kāi)路電壓尖峰測(cè)試仿真驗(yàn)證

根據(jù)圖4建立仿真電路模型，其中C1、C2、L4、L5為傳導(dǎo)耦合網(wǎng)絡(luò)。由式(12)可知，耦合端電壓與開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)時(shí)負(fù)載電感中的電流瞬時(shí)值相關(guān)，因此在改變負(fù)載電感電流相位參數(shù)，測(cè)得開(kāi)路電壓尖峰波形圖；使用直流電源代替交流電源，測(cè)得耦合端與負(fù)載端電壓比例關(guān)系，使用式(15)估算開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間的電壓尖峰，驗(yàn)證在交直流不同條件下電壓尖峰估計(jì)值與理論值的一致性。

由于上述開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間電路動(dòng)態(tài)響應(yīng)屬于零輸入響應(yīng)，為了仿真該過(guò)程，須求得電路中各儲(chǔ)能元件電流電壓狀態(tài)參數(shù)，具體可通過(guò)先對(duì)圖4電路模型進(jìn)行零狀態(tài)響應(yīng)仿真計(jì)算，并在電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后輸出所需狀態(tài)參數(shù)，各儲(chǔ)能元件狀態(tài)參數(shù)仿真結(jié)果如表2所示。

表2 儲(chǔ)能元件狀態(tài)參數(shù)表

根據(jù)表2狀態(tài)參數(shù)求圖4電路開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的零輸入響應(yīng)，以節(jié)點(diǎn)2為例測(cè)試耦合端電壓尖峰波形如圖8所示。

對(duì)圖4電路使用直流1V電源代替交流電源，開(kāi)關(guān)閉合待電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，對(duì)圖4電路進(jìn)行開(kāi)關(guān)斷開(kāi)零輸入響應(yīng)過(guò)程仿真，獲得測(cè)試耦合端電壓尖峰波形如圖9所示。

將上述測(cè)試結(jié)果匯總后，如表3所示。

表3 測(cè)試結(jié)果匯總表

由表3結(jié)果可知，對(duì)于感性負(fù)載，作為儲(chǔ)能元件，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間，其瞬時(shí)電流越大，耦合電壓亦越大；在時(shí)間節(jié)點(diǎn)2或4時(shí)，測(cè)試耦合端電壓尖峰估計(jì)值與理論值基本一致，誤差很小；在時(shí)間節(jié)點(diǎn)1或3時(shí)，測(cè)試耦合端電壓尖峰估計(jì)值與理論值出現(xiàn)明顯偏差。上述結(jié)果可以從儲(chǔ)能元件的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行解釋?zhuān)杀?可知，對(duì)于節(jié)點(diǎn)2或4，負(fù)載電感儲(chǔ)能遠(yuǎn)大于耦合網(wǎng)絡(luò)，因此耦合電壓主要與負(fù)載電感電流相關(guān)，直流替代情況亦是如此；但對(duì)于節(jié)點(diǎn)1或3，耦合網(wǎng)絡(luò)電容電壓處于峰值，負(fù)載電感電流處于極小值，同時(shí)考慮電容容量和電感量的數(shù)值關(guān)系，此時(shí)最終耦合電壓與電路儲(chǔ)能元件狀態(tài)參數(shù)都相關(guān)，因此通過(guò)負(fù)載電感電流估計(jì)測(cè)試耦合電壓表現(xiàn)明顯偏差。由前文分析可知，對(duì)于感性負(fù)載，當(dāng)負(fù)載電流最大時(shí)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)將出現(xiàn)電壓尖峰，即對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)2和4，此時(shí)傳導(dǎo)因子與直流替代下偏差很小，說(shuō)明基于式(15)的直流替代電壓尖峰測(cè)試方法是正確有效的。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1) 對(duì)于閉路電流尖峰試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量交流狀態(tài)負(fù)載電流和直流狀態(tài)電路時(shí)間常數(shù)完成閉路電流峰值估算，仿真測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確穩(wěn)定，且當(dāng)時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于交流信號(hào)周期值時(shí)，電流尖峰將不會(huì)出現(xiàn)。

(2) 對(duì)于開(kāi)路電壓尖峰試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量交流狀態(tài)負(fù)載電流和直流狀態(tài)耦合電壓和負(fù)載電流比例關(guān)系完成開(kāi)路電壓尖峰估算，當(dāng)負(fù)載電流最大時(shí)，仿真測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，其他狀態(tài)將出現(xiàn)明顯誤差。當(dāng)被測(cè)設(shè)備為感性負(fù)載時(shí)，由于電壓尖峰會(huì)在負(fù)載電流最大時(shí)出現(xiàn)，因此該電壓尖峰估算方法可應(yīng)用于感性負(fù)載場(chǎng)合。

(3) 本文所述方法在交流狀態(tài)被測(cè)設(shè)備僅需正常開(kāi)關(guān)一次，其余參數(shù)測(cè)試均在低壓直流狀態(tài)測(cè)得，測(cè)試設(shè)備要求低，安全系數(shù)高，為電源線(xiàn)尖峰信號(hào)試驗(yàn)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(wú)線(xiàn)電計(jì)量和電磁兼容檢測(cè)技術(shù)。

1000-7202(2017) 04-0076-06

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.16

TB971

A