浪涌信号发生器的校准方法

摘 要：介绍了浪涌来源于雷电瞬态和开关瞬态,给出了模拟雷电瞬态和开关瞬态的浪涌信号发生器的主要性能指标及工作原理.根据浪涌信号发生器的性能指标及工作原理,提出了一种简单可行的校准方法,给出了详细的测试数据,并应用到了实际工作中.

关 键 词：浪涌信号发生器；瞬态；校准方法；测试数据

中图分类号：TN71034文献标识码：A文章编号：1004373X（2014）05008703

0引言

自然界的雷电和电网中的开关切换、继电保护装置动作以及插头的拔插,都会产生瞬态浪涌电压[1].雷击瞬态浪涌（冲击）电压通过下列途径产生：雷击与外部电路（户外）,注入的电流流过接地电阻或外部电路阻抗而产生电压；建筑物内、外导体上产生感应电压和电流的间接雷击（即云层之间或云层中的雷击或击于附近物体的雷击,这种雷击产生电磁场）；直接对地放电的雷击入地电流,耦合到设备组接地系统的公共接地路径[2].因此,雷电不仅会造成户外电子电气设备性能下降、功能缺失,甚至被击毁,而且对工作在室内的电子电器设备,也会造成同样的现象.开关瞬态浪涌（冲击）电压由下列途径产生：主电源系统切换骚扰,例如电容器组的切换；配电系统内在仪器附近的轻微开关动作或负荷变化；与开关装置有关的谐振电路,例如晶闸管；各种系统故障,例如对设备组接地系统的短路和电弧故障.因此开关瞬态主要来自电子设备自身,主要通过传导耦合途径干扰电子设备.

遭受雷击的电子电气设备,不仅会引起自身性能及功能的下降,设备的烧毁,更严重的后果会造成电路短路,引发火灾,危机整个公共电网的安全.为了评估电子电气设备抗经公共电网耦合,或空间耦合雷击瞬变过电压引起的浪涌（冲击）的能力,国际电工委员会（IEC）发布了试验标准IEC6100045,我国也制定了相应的标准GB/T17626.5“浪涌（冲击）抗扰度试验”.该标准规范了试验方法、试验等级、试验等级的选择原则以及试验所需浪涌信号发生器的特性.浪涌信号发生器电流大、电压高、频带宽,不能用通用仪器直接进行校准,本文提出了一种简单易行的对比测试法校准浪涌信号发生器的短路电流.

1信号发生器特性

1.1信号发生器特征和性能

浪涌信号发生器应尽可能模拟雷电瞬态和开关瞬态产生的浪涌电压,根据干扰产生的机理,当干扰源与受试设备的端口在同一线路中,例如在电源网络中（直接耦合）,信号发生器模拟一个低阻抗源；当干扰源与受试设备的端口不在同一线路中（间接耦合）,信号发生器模拟一个高阻抗源.

目前,生产浪涌信号发生器的厂家主要有有瑞士EMTEST公司、美国ThermoKeyTek公司和日本NoiseKen公司.设备特性都满足IEC6100045（GB/T17626.5）标准所规定的要求,组合波信号发生器主要特征和性能如下[3]：开路输出电压：0.5～4.0kV；浪涌输出波形：如图1所示（按GB/T16927.1的波形规定）；开路输出电压容差：±10%；短路输出电流：0.25～2.0kA；短路电流波形：如图2所示（按GB/T16927.1的波形规定）；短路输出电流容差：±10%；极性：正/负；内阻：2Ω；相位偏移：随交流电源相角在0～360°变化.

2浪涌脉冲带宽分析

图1中开路电压脉冲波形的带宽为262kHz,图2中短路电流脉冲波形的带宽为39.3kHz.校准开路电压脉冲波形,需要校准系统（包括电压探头、示波器、高压匹配器等）的频率带宽应大于2620kHz.校准短路电流脉冲波形,需要校准系统（包括电压探头、示波器、高压匹配器等）的频率带宽大于393kHz.

3校准方法

对于开路电压的校准,可直接用高压探头和示波器进行测量.对于短路电流的校准,由于浪涌信号发生器短路电流呈现大电流、宽频带的特性,通用测量仪器无法直接进行校准,本文采取一种对比测试法,不直接用电流探头的系数和衰减器的值（和频率有关）计算电流幅度,而采用现场标定测量系统的电流转换系数,然后利用电流转换系数来校准短路电流幅值,这样,电流探头的宽频特性既保证了电流波形不失真,又能准确测量短路电流幅度.

下面对EMTEST公司生产的UCS500型多功能试验系统浪涌（冲击）综合信号发生器的短路电流进行校准.对于其他型号的浪涌（冲击）发生器,也可参照此方法.

3.1主要设备

3.2标定电流转换系数

3.2.1感应电压测定

感应电压测量按图4配置测量系统（示波器为50Ω输入阻抗）,按GB/T17626.5要求的试验等级1～4,分别设置UCS500信号源的输出电压[V0,]用示波器测量电流探头感应电流在50Ω负载上的感应电压[VT,]测量结果见表1.

3.2.21.5Ω负载电流测量

按图5配置测量系统,示波器探头选用高压高阻差分探头,输入阻抗设为高阻,分别设置UCS500输出电压为500V、1000V、2000V、4000V,测量1.5Ω电阻两端电压[VR,]根据欧姆定律计算流过电流[IR,]结果见表2.

4结语

针对浪涌信号发生器的短路电流大、频带宽的特点,本文采用的对比测试法,利用测量系统的电流转换系数,解决了频域参数的测试系统测试时域信号的幅度问题,同时,宽频带的测试系统也保证了时域信号不失真,这样,准确的测量浪涌脉冲信号的幅度参数和时间参数.该测试方法已在实验室浪涌信号发生器的期间核查和周期检定中成功应用.同时,使用该测试方法应该注意选取电流探头、衰减器和示波器的频带宽度一定大于10倍浪涌信号脉冲信号的频带宽度.