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电压暂降与短时中断抗扰度测试:IEC 61000-4-11 怎么用可编程电源做

电网上的大多数“停电”其实不是停电。邻近线路短路、大电机直接启动、变压器投切、重合闸前的等待,都会让电压在几毫秒到几秒之内跌到额定值的一半甚至更低,然后恢复。设备遇到的绝大多数供电异常,是这种短时间的电压凹陷,而不是彻底断电。

设备对这类事件的承受能力,靠抗扰度试验来考核。IEC 61000-4-11 规定的是低压设备对电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验方法。本文讲怎么用一台可编程交流电源把这项试验做对,以及哪些细节会让结果失去意义。

图1 仪器工作台:暂降试验的成败,多半取决于源与监测,而不是被试设备
图1 仪器工作台:暂降试验的成败,多半取决于源与监测,而不是被试设备

一、暂降、中断与停电:三个词不是一回事

电压暂降指供电电压突然降到额定值的九成以下,但仍有电压,持续时间从半个周波到一分钟。短时中断指电压降到接近零,按 IEC 的术语,短时中断与长时间中断通常以三分钟为界。停电则是供电完全停止,属于供电质量问题,不是抗扰度试验里的术语。

区分这三者不是为了抠字眼,而是因为设备对它们的反应可能完全相反。跌到额定值四成、持续一百毫秒,开关电源可能靠输入电容撑住,输出一点不掉;跌到零、持续二十毫秒,同一台设备的继电器可能已经释放,输出中断。用“抗停电能力”去描述一台设备的抗扰度,是没有意义的。

二、两个坐标:残余电压与持续时间

一次暂降由两个量定位:残余电压,用额定值的百分比表示;持续时间,用周波或毫秒表示。五十赫兹下一个周波是二十毫秒,标准里的持续时间常写成周波数,换算时要按试验频率来,不能把六十赫兹的周波数直接搬过来。

标准给出的是一组离散的组合,不是连续可调。组合覆盖三类现实事件:极短极深的,对应短路初期的换相缺口;中等深度、中等时长的,对应邻近线路的故障期;较浅但很长的,对应远端故障与重合闸前的等待。选组合要按产品实际的使用环境来,不要自己发明一个“看起来差不多”的点。

三、相位角:切换发生在波形的哪一点

同样的残余电压、同样的持续时间,切换点不同,设备承受的应力也可能不同。原因是设备内部的储能与磁性元件对相位敏感:整流后电容在电压峰值附近充电,变压器铁芯的剩磁与断电瞬间的相位有关,电机的气隙磁场也不是说没就没。

常见做法是在零度、九十度、一百八十度、二百七十度四个相位各做一次,或者按产品标准指定的最不利相位重复。只在一个相位上做一遍就宣布通过,结论是不完整的:某个相位下能扛住的设备,换一个相位可能就复位了。

图2 一次暂降的三个参数:残余电压、持续时间与起始相位
图2 一次暂降的三个参数:残余电压、持续时间与起始相位

四、试验源要满足什么

切换时间。从额定电压切到残余电压,必须在微秒级完成。慢了就成了“缓降”,设备内部的稳压环有时间跟随,试验强度被悄悄削弱。这是可编程电源与“调压器加接触器”最本质的区别。

过冲与下陷。切换瞬间不允许出现明显的过冲,恢复瞬间也不允许。恢复时过冲百分之二十,被试设备可能因为过压而不是欠压失效,失效机理被换掉了,试验结论自然也对不上。

相位同步与容量。源要能在设定的相位角上完成切换,连续试验中不能与参考失步。输出阻抗要足够低,带载后跌落深度仍能达到设定值;容量要覆盖被试设备的浪涌电流,否则一开机源自己就先跌了。

波形质量。非暂降期间的总谐波失真要低。源本身不干净,被试设备在“正常”阶段就已经工作在异常工况,后面那一段跌落造成的失效,就说不清是谁的责任。

五、单相、三相与不同接法

单相设备在相线与中性线之间施加暂降,接线最简单,也最容易被想当然地套到三相设备上。三相三线设备常见的是三相同时跌落,用于考核整体欠压;两相跌落用于考核不平衡与负序分量,两者不能互相替代。

三相四线还要看中性线。中性线是否同时跌落、相间电压如何变化,直接决定被试设备看到的是“三相对称欠压”还是“带零序的复合事件”。接法必须写进记录:同一台设备,三相同时跌到七成与单相跌到七成,结论不可互换。

还有一个容易忽略的细节:跌落期间三相之间的相位关系是否保持。有的试验源在三相同时跌落时,各相的切换时刻略有差异,几十微秒的偏差在工频上不算什么,但对三相整流桥来说,可能造成短暂的相间短路通路。带载波形要用三相同时抓,不能只抓一相就下结论。

图4 配电柜内的接线端子:试验接线与电压测量点通常就在这里分开
图4 配电柜内的接线端子:试验接线与电压测量点通常就在这里分开

六、重复率与试验次数

标准规定每个试验等级要重复若干次,间隔要能让设备恢复。间隔太短,设备内部的电容还没充满、热保护还没复位,第二次试验的初始状态就不对,测出来的是累积效应,不是单次抗扰度。

间隔太长,效率低,环境温度也可能漂移。可行的做法是按设备的最长启动时间定间隔,并在记录里写明这个值。审阅报告的人看到“连续三次,间隔十秒”,就知道这个结论在什么前提下成立。

七、被试设备的工作状态

最严酷的点往往不是满载。轻载时开关电源工作在断续模式,输入电容储能少,同样深度的跌落更容易把输出拉垮;启动过程中输入浪涌大,源本身的跌落深度又会不足。两个极端都要覆盖。

工作状态要写成清单:待机、启动过程、满载、通信中、以及设备自身保护动作的边界。监测也要成体系:输入电压、输入电流、输出是否跌落、通信是否中断、故障码与指示灯状态。只靠“看它还亮着”不算监测,很多设备在输出已经跌出规格时,面板灯依然是绿的。

图3 残余电压与持续时间的组合,对应不同的现实成因与设备行为
图3 残余电压与持续时间的组合,对应不同的现实成因与设备行为

八、判据:A、B、C 怎么记

抗扰度试验的结论不是简单的通过或不通过,而是按性能判据分级。A 表示试验期间与试验之后性能正常;B 表示出现暂时降级,试验后能自行恢复,不需要人工干预;C 表示需要人工复位或重启才能恢复;D 表示损坏。

记录要写现象,不要只写等级。输出跌了多少伏、持续了多久、是自动恢复还是按了复位键、有没有丢数据、通信重连用了多长时间。这些细节决定了判据分级是否站得住,也决定了研发拿到报告后知不知道该改哪里。

最容易犯的错是把重启记成合格。设备重启后功能正常,操作员看到一切正常就打了勾,但按定义这属于判据 C。分级错了,客户现场的投诉就会替你把这个问题重新提出来。

判据等级不是试验者自己定的。产品标准或采购技术协议里通常会写明“暂降期间性能判据不低于 B”,抗扰度标准只提供方法与分级框架,具体要求由产品标准落地。做试验前先把这一句找出来,比事后争论算不算合格有用得多。

九、常见误判

深度不够。源内阻大或者测试线太细,设定四成实际只跌到六成,试验强度不足却看不出来。解决办法是在被试设备端子上实测电压,而不是相信源的设定值。

恢复过冲与相位漂移。恢复瞬间的过冲会把失效机理从欠压换成过压;连续试验中源与参考失步,实际切换角与设定不符。这两项都要用示波器单次触发抓波形来确认,不能只看源的面板显示。

线缆压降。大电流下测试线的压降不可忽略,设备端子上的电压高于设定值,跌落深度被高估。测量点必须取在被试设备的端子上,取在源输出端的读数只能说明源干了什么。

十、用可编程交流电源搭台的清单

选型看三条:输出电压范围要覆盖额定值与跌落值,峰值电流能力要满足被试设备的浪涌,功率裕量要留出至少三成。做三相试验时还要确认能否分相独立设定,否则两相跌落根本做不出来。

编程用序列模式,把“正常、跌落、恢复”编成一段可重复的序列,每段的幅值、持续时间、相位分别可设。这样同一组参数可以原样复现,也方便把试验条件写进报告。

接线尽量短、截面足够,测量点放在被试设备端子上;设置过流与过功率保护,避免被试设备短路时把源一起带走。正式试验之前,先用示波器记录一次空载与带载的波形,确认深度、持续时间和切换沿都符合设定,再开始计数。

电压暂降试验看起来只是“把电压调低一下”,实际上考的是源能不能在正确的时间、以正确的方式把电压变下去再变回来。三个参数写清楚,判据分级写清楚,这份报告才有意义。

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