夏 伟 孙朝斌 沈小青 余清华 王志虎

(中国卫星海上测控部，江苏 214431)

电源线尖峰信号的分析与测试

夏 伟 孙朝斌 沈小青 余清华 王志虎

(中国卫星海上测控部，江苏 214431)

针对感性负载在电源线尖峰信号试验过程中存在峰值难以捕获的问题，通过对感性负载在开关过程中的动态特性分析，研究了电源线尖峰信号的形成机理和影响因素，在此基础上，提出了在直流条件下电源线尖峰信号的替代测试方法。仿真实验结果表明，直流替代测试方法与理论结果基本一致，可用于解决标准试验方法的最大峰值随机问题，极大压缩峰值信号的动态范围，有效降低测试过程中的风险水平，对于电源线传导干扰的测试分析具有参考意义。

尖峰信号 电源线 感性负载 传导干扰

1 引 言

随着电源供电技术的不断发展和用户对用电质量要求的不断提高，电压浪涌、尖峰脉冲等干扰逐渐成为保证电网对用户优质安全不间断供电所考虑的主要问题[1]。其中与电气设备开关瞬间相关的电源线传导干扰是电力系统中的多发事件，运行经验和研究表明，此类干扰信号容易引起以微电子和计算机技术为基础的自动化设备的误操作或者损伤[2]。在上述干扰案例中，产生干扰的电气设备以感性负载较为典型，比如常见电动机、变压器、继电器及日光灯等电气设备，这类产品在启动时需要一个比正常工作时大得多的启动电流，容易引起断电保护动作，而在上述设备关闭时，又容易形成电压尖峰信号，对电网其它用电设备造成干扰。

对于上述传导干扰问题，一般通过相关电磁兼容标准试验进行评估，其中RTCA/DO-160F、GJB151A/152A-97和GJB181-86都涉及了电源线尖峰信号的传导干扰试验项目[3]。但在具体实施过程中，由于需要对受试设备进行多次开关，因此也存在一些问题，一是上述干扰信号的形成与开关动作的电压瞬时值相关，随机开关试验往往难以遍历所有状态，使得干扰信号的最大峰值难以捕获；二是对于一些大功率设备或者其它昂贵的专业设备，因多次开关试验存在不确定风险性而受到限制。如上所述，传导干扰试验中伴随有动态大电流或高电压等危险因素，在一定程度上限制了其应用场合，因此，是否可以在静态条件下对受试设备相关参数进行测试，并通过数值计算完成电源线尖峰信号特性的评估，便是本文所要解决的问题。

2 电源线尖峰信号的形成机理

在上述感性负载电源线尖峰信号干扰案例中，以电机类设备最为典型，相关研究也较多。从感应电机端过电压的分析与预测出发，给出了感应电机的高频模型[4～9]。从直流电机的几何结构和物理性能出发,建立了电机绕组的高频分析模型[9],但这种建模方法必须知道电机绕组的几何结构。建立了一种直流电机高频模型[11],该模型考虑了电枢绕组的集肤效应和铁心的涡流效应,因此处理电机主电感的过程较为复杂。上述文献研究多其中于电机的高频模型和稳态条件下传导干扰问题的分析与预测，对于开关瞬间的动态特性分析较少，且模型结构复杂，元件参数难以确定，并不适合现场测试应用。

下面采用等效集总参数电路来模拟分布参数的影响[12]，建立电机绕组的基本电路模型，如图1(a)所示，其中L为绕组电感；r为绕组电阻；C1为绕组匝间寄生电容；RP1和RC1分别为表征磁损耗和电介质损耗的高频损耗电阻；Cg为绕组与电机外壳的耦合电容，E为交流电源。

考虑电机绕组电感L和电阻r支路为传导干扰主要影响分量，为便于分析，把剩余支路合并成等效阻抗R，形成简化等效电路模型图1(b)，下面分析电机开关过程中电源线尖峰信号的形成机理。

2.1开关闭合过渡过程分析

电路如图1(b)所示，设开关S闭合时电源瞬时电压为U，幅值为Um，角频率为ω，初相角为θμ，其解析式为

U=Umsinωt+θμ

(1)

下面分析开关S闭合后通过电感L的电流IL的零状态响应，则根据KVL方程有

(2)

根据动态电路的时域分析理论[13]，当正弦激励作用于一阶电路时，其响应为稳态分量和暂态分量之和。对于有损耗的动态电路，其稳态分量是与正弦激励同频率的正弦量，因此可设稳态分量为

ILp(t)=ILmsin (ωt+θi)

(3)

式中待定系数ILm和θi为

(4)

(5)

其暂态分量可由式(2)对应齐次方程的解求得ILq(t)=Ae-t/τ，则电感L的电流IL的全响应

ILt=ILmsin(ωt+θi)+Ae-t/τ

(6)

根据换路定理，由于电感电流不能突变，则有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)和图2可知，r-L串联电路接通正弦交流电源时，过渡过程中电感电流是由一个正弦交流稳态分量与一个按指数规律衰减且方向不变的暂态分量迭加而成，经过一定时间后，暂态分量逐渐衰减而趋于零，电路进入稳态，这时电感电流趋近于正弦稳态电流。

由上面分析可以看出，不论何时开关S闭合，暂态分量起始值ILq0+与稳态分量起始值ILp0+大小相等符合相反，保证了电感电流在开关闭合时不发生跃变。由此可知，暂态分量起始值主要由稳态分量起始值决定，而稳态分量起始值主要由其相位角θi决定。

2.2开关断开过渡过程分析

电路如图1(b)所示，设开关S闭合，电感电流IL进入稳态过程，下面分析断开开关S时阻抗R两端电压的变化规律，设开关断开时时间为t0，由于此时电路已进入稳态，则根据式(8)可得

ILt0=ILmsin(ωt0+θi)

(9)

根据电感元件换路定律有ILt0+=ILt0-=ILt0，因此当开关S断开时R两端电压为

URt0+=-ILt0R

(10)

此时时间常数为

(11)

由动态电路三要素公式得

(12)

≫Umsinωt0+θi

(13)

3 电源线尖峰信号测试方法分析与设计

由上述分析可知，感性负载在开启和关闭过程中都可能对同一电网中其它设备产生干扰或引起故障损坏，因此，对于可靠性要求较高的应用场合，有必要对此类电源线尖峰信号的传导干扰发射进行试验评估，确保设备电磁兼容性满足系统稳定运行的要求。正如上文所述，由于干扰尖峰信号与设备开关时机、被测设备输入阻抗参数和测试耦合网络参数都有关系，一般少量有限次数的开关试验难以捕获尖峰信号的最大峰值，使得相关现场试验往往难以取得预期效果，文献[14]也对该问题进行了论述。

针对上述问题，通过对GJB152A-1997 CE107电源线尖峰信号传导发射测试方法分析，提出了电源线尖峰信号测试方案设计。CE107电源线尖峰信号传导发射测试方法分为尖峰电流和尖峰电压两种，其测试原理如下图3图4所示，其中C1、C2、L4、L5为标准测试耦合网络，L1和R2为受试感性负载，详细测试方法见参考文献[3]。

3.1电流尖峰测试方法分析与设计

由式(8)可知，开关闭合瞬间感性负载主要表现为电流尖峰，当稳态分量相位角为±π/2时，电流峰值最大，此时电流尖峰主要由稳态分量的幅值和暂态分量的时间常数决定，如下式所示。

ILt=ILmsin (ωt±π/2)∓ILme-t/τ

(14)

因此本文测试方法设计分为如下三步：

(1)按图3所述进行测量设备布置，开关S1闭合，使用电流探头和示波器测得电路稳态电流幅值ILm；

(3)使用式(14)估算开关闭合瞬间的尖峰电流。

3.2电压尖峰测试方法分析与设计

由式(12)可知，开关断开瞬间感性负载主要表现为电压尖峰，此时测试耦合端电压UR与负载端电流ILmsin (ωt0+θi)符合类似欧姆定律的电压电流比例关系，由于通常受试设备工作于交流电源，开关断开瞬间负载端电流的随机性造成了测试耦合端电压的随机性，因此，本文设计测试方法首先使用低压直流电源进行测试，获得测试耦合端电压URDC与负载端电流ILDC比例关系，再通过下式估算实际交流电源情况下的电压尖峰。

(15)

4 尖峰信号测试仿真验证

为了验证本文所述方法的正确性，设计如下仿真实验，以图3和图4所示尖峰信号测试方案为例，使用NI Multisim14.0电路仿真软件构建测试电路模型，分别对电流尖峰和电压尖峰测试方法的有效性进行仿真验证。

4.1闭路电流尖峰测试仿真验证

根据图3建立仿真电路模型，其中L1、R2为受试设备，C1、C2为传导耦合网络，U1为交流电源。改变电源U1的初相Phase参数，测得闭路尖峰电流波形图；使用直流电源代替交流电源，测得电路时间常数,使用式(14)估算开关闭合瞬间的电流尖峰，验证在交直流不同条件下电流尖峰估计值与理论值的一致性。

根据本文2.1条分析可知，电流尖峰幅度与开关闭合瞬间的交流电源相位和负载电路参数都相关，根据图3电路参数代入式(5)进行计算，结果如表1所示。

表1 闭路电流尖峰与相位关系表

根据表1相位关系以电流尖峰负向最大值为例进行开关闭合仿真，结果如图5所示。

使用直流1V电源代替交流电源，零状态直流响应如图6所示，由图可知负载电路时间常数为22.867 8ms，根据图5所示，开关闭合瞬间电路电流稳态分量幅值ILm为4.263 5A，把上述参数代入式(14)可得开关闭合瞬间电流尖峰波形估计如图7所示。

由图可知，图5电流尖峰仿真结果为-7.043 8A，图7电流尖峰估计值为-7.032 7A，误差约为-0.16%，说明上述交直流替换估计开关闭合瞬间电流尖峰是正确可行的。上述实验同时表明，闭路电流尖峰主要与测试电路时间常数相关，当时间常数远小于交流信号周期值时，由于暂态分量持续时间很短，因此，电流尖峰将不会出现。

4.2开路电压尖峰测试仿真验证

根据图4建立仿真电路模型，其中C1、C2、L4、L5为传导耦合网络。由式(12)可知，耦合端电压与开关S1断开时负载电感中的电流瞬时值相关，因此在改变负载电感电流相位参数，测得开路电压尖峰波形图；使用直流电源代替交流电源，测得耦合端与负载端电压比例关系，使用式(15)估算开关断开瞬间的电压尖峰，验证在交直流不同条件下电压尖峰估计值与理论值的一致性。

由于上述开关断开瞬间电路动态响应属于零输入响应，为了仿真该过程，须求得电路中各储能元件电流电压状态参数，具体可通过先对图4电路模型进行零状态响应仿真计算，并在电路进入稳态后输出所需状态参数，各储能元件状态参数仿真结果如表2所示。

表2 储能元件状态参数表

根据表2状态参数求图4电路开关断开时的零输入响应，以节点2为例测试耦合端电压尖峰波形如图8所示。

对图4电路使用直流1V电源代替交流电源，开关闭合待电路进入稳态，对图4电路进行开关断开零输入响应过程仿真，获得测试耦合端电压尖峰波形如图9所示。

将上述测试结果汇总后，如表3所示。

表3 测试结果汇总表

由表3结果可知，对于感性负载，作为储能元件，当开关断开瞬间，其瞬时电流越大，耦合电压亦越大；在时间节点2或4时，测试耦合端电压尖峰估计值与理论值基本一致，误差很小；在时间节点1或3时，测试耦合端电压尖峰估计值与理论值出现明显偏差。上述结果可以从储能元件的状态参数进行解释，由表3可知，对于节点2或4，负载电感储能远大于耦合网络，因此耦合电压主要与负载电感电流相关，直流替代情况亦是如此；但对于节点1或3，耦合网络电容电压处于峰值，负载电感电流处于极小值，同时考虑电容容量和电感量的数值关系，此时最终耦合电压与电路储能元件状态参数都相关，因此通过负载电感电流估计测试耦合电压表现明显偏差。由前文分析可知，对于感性负载，当负载电流最大时断开开关将出现电压尖峰，即对应于节点2和4，此时传导因子与直流替代下偏差很小，说明基于式(15)的直流替代电压尖峰测试方法是正确有效的。

5 结束语

(1) 对于闭路电流尖峰试验，通过测量交流状态负载电流和直流状态电路时间常数完成闭路电流峰值估算，仿真测试结果准确稳定，且当时间常数远小于交流信号周期值时，电流尖峰将不会出现。

(2) 对于开路电压尖峰试验，通过测量交流状态负载电流和直流状态耦合电压和负载电流比例关系完成开路电压尖峰估算，当负载电流最大时，仿真测试结果准确，其他状态将出现明显误差。当被测设备为感性负载时，由于电压尖峰会在负载电流最大时出现，因此该电压尖峰估算方法可应用于感性负载场合。

(3) 本文所述方法在交流状态被测设备仅需正常开关一次，其余参数测试均在低压直流状态测得，测试设备要求低，安全系数高，为电源线尖峰信号试验提供了一种替代解决方案。

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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

夏伟(1980-)，男，硕士，主要研究方向：无线电计量和电磁兼容检测技术。

1000-7202(2017) 04-0076-06

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.16

TB971

A