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2.6 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验

电快速瞬变脉冲群抗扰度试验的国家标准为 GB/T17626.4,等同的国际标准是IEC61000—4—4。

2.6.1 试验目的

标准模拟电网中的切换瞬态过程(如电感性负载的切换、继电器触点弹跳等)时所引起的干扰,从而完成对电气和电子设备的电快速瞬变脉冲群抗扰性能方面的考核。

在工程实践中,电路中机械开关在切换电感性负载时,经常会干扰同一电路中的其他电气和电子设备。经研究发现,这种干扰的特点是:干扰波以群脉冲方式出现,且重复频率较高,脉冲波形的上升时间短暂。此类干扰经常会使设备产生误动作的情况,由于单个脉冲的能量较小,一般不会造成设备硬性故障。

脉冲群干扰之所以会造成设备发生误动作现象,是因为脉冲群会对电路中半导体器件的结电容充电,当结电容上的能量积累到一定程度时,便会使一些逻辑电路错误翻转,从而引起设备的误动作。

2.6.2 主要试验设备及必备条件

1.群脉冲发生器

图 2-15 给出了电快速瞬变脉冲群的发生器基本线路。其中,U 为高压源;R c 为充电电阻;C c 为储能电容,容值大小决定单个脉冲的能量;R s 为波形形成电阻,该电阻和储能电容配合,决定了波形的形状;R es 为阻抗匹配电阻,决定了脉冲发生器的阻抗(标准为50Ω);隔直电容 C d 的主要作用是隔离脉冲发生器中的直流成分。电快速瞬变脉冲群输出波形如图2-16所示。

图2-15 电快速瞬变脉冲群发生器基本线路

图2-16 电快速瞬变脉冲群输出波形

2.群脉冲发生器的输出特性及输出波形

对电快速瞬变脉冲群发生器的基本要求有以下几项。

(1)脉冲的上升时间(指10%~90%):5×(1±30%)ns。

(2)脉冲持续时间(上升沿的50%至下降沿的50%):50×(1±30%)ns。

(3)脉冲重复频率:5kHz或100kHz。

(4)脉冲群的持续时间:5kHz时为15×(1±20%)ms;100kHz时为0.75×(1±20%)ms。

(5)脉冲群的重复周期:300×(1±20%)ms。

(6)发生器在1000Ω负载时输出电压(峰值):0.25~4kV。

(7)发生器在50Ω负载时输出电压(峰值):0.125~2kV。

(8)发生器的动态输出阻抗:50×(1±20%)Ω。

(9)输出脉冲的极性:正/负。

(10)与电源的关系:异步。

输出特性如表2-12所示。

表2-12 输出特性

3.耦合/去耦网络

交/直流电源端口的耦合/去耦网络(Couple and Decouple Networks,CDN)可以在不对称条件下把测试电压施加到被测设备的电源端口,如图 2-17 所示。其中,L 1 、L 2 、L 3 为相线;N 为中线;PE 为保护地;C c 为耦合电容。所谓不对称干扰,是指电源线与大地之间的干扰。测试发生器的输出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(L 1 、L 2 、L 3 、N及PE)上,信号电缆的屏蔽层与CDN的外壳相连,该机壳则接到参考接地端子上,CDN 的作用是将干扰信号耦合到受试设备并阻止干扰信号干扰连接在同一电网中的其他设备。一些电快速脉冲发生器内部已经集成了耦合/去耦网络。

耦合/去耦网络的特性参数如下:

(1)耦合电容,33nF。

(2)耦合方式,共模。

图2-17 耦合/去耦交/直流电源端口

4.容性耦合夹

警告:耦合段与其他所有导电结构(受试电缆和接地平面除外)的间距应大于0.5m。

特性参数:

(1)电缆和耦合夹之间典型的耦合电容,100~1000pF。

(2)圆电缆可用的直径范围,4~40mm。

(3)绝缘耐压能力,5kV(试验脉冲:1.2/50μs)。

对在输入/输出和通信端口上的连接线的验收试验采用耦合夹的耦合方式,如图2-18 所示。只有当上面定义的耦合/去耦网络不适用时,耦合夹的耦合方式也可用于交/直流电源端口的试验。

2.6.3 试验方法及试验配置

1.试验配置

试验配置的正确性影响到试验结果的重复性和可比性,因此,正确的试验配置是保证试验质量的关键。对于脉冲群抗扰度试验的这种高速脉冲试验,结果尤其如此。

固定落地式安装或者台式受试设备和设计安装于其他配置中的设备,都应放置在接地参考与平面上,并用厚度为0.1m±0.01m的绝缘支座与之隔开,如图2-19所示。

关键点:

(1)l为耦合夹与EUT之间的距离(应为0.5m±0.05m)。

(2)(A)为电源线耦合位置。

(3)(B)为信号线耦合位置。

图2-18 容性耦合夹

图2-19 接地参考平面

对于台式设备,则受试设备应放置在接地参考平面上方 0.1m±0.01m 处(见图 2-19)。通常安装于天花板或者墙壁的设备应按台式设备试验,并放置于接地参考平面上方0.1m±0.01m处。

试验发生器和耦合/去耦网络应直接放置在参考地平面上,并与之搭接。

接地参考平面应为一块厚度不小于 0.25mm 的金属板(铜或铝);也可以使用其他金属材料,但其厚度至少应为0.65mm。

接地参考平面的最小尺寸应为1m×1m,其实际尺寸取决于受试设备的尺寸。

接地参考平面的各边至少应比受试设备超出0.1m。

接地参考平面应与保护地相连接。

受试设备应该按照设备安装规范进行布置和连接,以满足它的功能要求。

除了接地参考平面,受试设备和其他导电性结构(如屏蔽室的墙壁)之间的最小距离应大于0.5m。

与受试设备相连接的所有电缆应放置在接地参考平面上方 0.1m 的绝缘支撑上。不能经受电快速瞬变脉冲的电缆布线应尽量远离受试电缆,以使电缆间的耦合最小化。

受试设备应按照制造商的安装规范连接到接地系统上,不允许有额外的接地。

耦合/去耦网络连接到接地参考平面的接地电缆,以及所有搭接所产生的连接阻抗,其电感成分要小。

应采用直接耦合和容性耦合夹施加试验电压。试验电压应耦合到受试设备的所有端口,包括受试设备两单元之间的端口,除非设备单元之间的互连线长度达不到进行试验的基本要求。

应用去耦网络保护辅助设备和公共网络。

使用耦合夹时,除耦合夹下方的接地参考平面外(耦合夹应放在参考接地地板上),耦合板和其他导电性结构之间的最小距离为0.5m。

除非其他产品标准或者产品类标准另有规定,耦合装置和受试设备之间的信号线和电源线的长度应为0.5m±0.05m。

如果制造商提供的与受试设备不可拆卸的电源电缆长度超过 0.5m±0.05m,那么电缆超出长度的部分应折叠,以避免形成一个扁平的环形,并放置于接地参考平面上方0.1m处。

图2-20为架式安装设备的试验配置示例。

注意:耦合夹可安装在屏蔽室的墙壁上或者任何其他接地表面,并与受试设备搭接。电缆从顶部引出的大型、落地安装的系统,耦合夹中心处于距离受试设备上方 10cm 处,电缆沿耦合平面的中心垂落布置。

图2-20 架式安装设备的试验配置示例

2.试验方法

进行电源线试验时,通过耦合/去耦网络来施加试验电压。

进行信号线试验时,控制线通过电容耦合夹来施加试验电压。

受试设备线路出错有一个过程,而且有一定偶然性,不能保证间隔一定时间后肯定出错,尤其是当试验电压接近临界值时,这种偶然性更大。因为脉冲群试验的实质是利用干扰对线路结电容充电,当其能量积累到一定程度时,才会引起线路(乃至系统)出错。为此,一些产品标准规定电源线上的试验要在线与地之间进行,要求每一根线在一种试验电压极性下进行3 次试验,每次1min,中间间隔1min。一种极性做完后,要换另一种极性。一根线做完后,再换另一根线。当然,也可以两根线同时注入脉冲,甚至几根线同时注入。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施加脉冲还是一起施加脉冲更为严酷,因此,同时加脉冲也仅仅是一种试验形式而已,最终要由试验来判定。

一般情况下,受试设备只对其中某根线和某个极性的试验比较敏感。

如果特定的I/O端口和通信端口无法采用耦合夹来进行耦合,可以采用金属带或导电箔覆盖或缠绕在相应电缆上的方法来代替容性耦合夹进行试验。但是,要求其分布电容应与标准耦合夹相同。

3.试验中的注意事项

在电快速瞬变脉冲群试验中,试验配置的规范性是非常重要的,应主要注意以下几点。

(1)参考接地。没有参考接地板,干扰就加不到受试设备上去,因为脉冲群施加的为不对称干扰,需要公共参考点。并且,为了保证试验结果的正确性,接地板的面积应足够大。

(2)脉冲群干扰含有极其丰富的谐波成分。这是因为干扰波的单个脉冲十分陡峭,前沿为 5ns,半宽也达到了 50ns,其中幅度较大的频率可以达到 60MHz 以上。对电源线来讲,即使长度只有 1m,由于长度已可和传输频率的波长相比,因此信号在上面传输时,部分干扰通过线路进入受试设备(传导),部分要从线路逸出,成为辐射信号进入受试设备(辐射)。因此,受试设备受到的干扰实际上是传导与辐射的结合。传导与辐射的比例与电源线长度有关:线路短,传导成分较多;线路长,辐射成分较多。由于线路与参考地之间的分布电容的关系,辐射的强弱还和电源线与参考接地板的贴近程度有关,线路离接地板近,分布电容大(容抗小),干扰被分布电容滤掉的成分就越多,辐射分量较小;线路离接地板远,分布电容小(容抗大),干扰被分布电容滤掉的成分就越少,辐射分量较大。

综上所述,试验用电源线的长度、离参考接地板的高度乃至电源线与受试设备的相对位置,都有可能成为影响试验结果的因素。为了保证试验结果的重复性和可比性,注意试验配置的规范性就显得十分重要。由于脉冲群试验除了具有传导干扰外,还存在一定程度的辐射干扰,对于不同的导线数目和不同的导线摆放位置,受试设备对辐射干扰的响应情况是不同的。因此,除了试验配置的规范性外,还要注意每次试验时附在受试设备上的附加导线根数及摆放位置是否一致。

此外,由于不同的试验运行程序对被试设备结电容的充、放电情况也是不同的,因此,不同的试验运行程序也可能影响试验结果。这一点也需要试验人员加以注意。

总之,试验人员对试验情况都要仔细地记录在案,以便使试验结果具有可追溯性。

2.6.4 试验等级

试验等级应按照设备预期安装使用的环境条件进行选择。环境条件分五个等级,如表2-13所示。

第1级:具有良好保护的环境,典型的环境如计算机房等。

第2级:受保护的环境,典型的环境如工厂和发电厂的控制室和终端室等。

第3级:典型的工业环境,代表环境有工业过程控制设备的安装场所、发电厂和室外高压变电所的继电器房、铁路信号所机械室等。

第4级:严酷的工业环境,如未采用特别安装措施的电站、室外工业过程控制设备的安装区域、露天的高压变电站的配电设备和工作电压高达500kV及以上的开关设备等。

第X级:需要加以分析的特殊环境。

表2-13 开路输出试验电压和脉冲的重复频率

注1:传统上用5kHz的重复频率;然而100kHz更接近实际情况,专业标准技术委员会应决定与特定的产品或者产品类型相关的那些频率。

注2:对于某些产品,电源端口和I/O端口之间没有清晰的区别,在这种情况下,应由专业标准化技术委员会根据试验目的来确定如何进行。

“×”是一个开放等级,在专用设备技术规范中必须对这个级别加以规定。 KAgmA0qvWcGJATMwyBBzH84ch4HPsw39s6E70AgeraFBmUlVPQpS1SgpMWsHd24l

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