电快速脉冲群实验及其对策综述

电快速脉冲群实验（IEC 61000-4-4 EFT/Burst Test)及其对策综述 一．试验波形电快速瞬变脉冲群抗扰度试验，目的是验证由闪电、接地故障或切换电感性负载而引起的瞬时扰动的抗干扰能力。这种试验是一种耦合到电源线路、控制线路、信号线路上的由许多快速瞬变脉冲组成的脉冲群试验。此波形不是感性负载断开的实际波形（感性负载断开时产生的干扰幅度是递增的），而实验所采用的波形使实验等级更为严酷。电快速脉冲群是由间隔为300ms的连续脉冲串构成，每一个脉冲串持续15ms，由数个无极性的单个脉冲波形组成，单个脉冲的上升沿5ns，持续时间50ns，重复频率5K。根据傅立叶变换，它的频谱是从5K--100M的离散谱线，每根谱线的距离是脉冲的重复频率。
二．实验设备
1. 电快速脉冲发生器其中储能电容的大小决定单个脉冲的能量；波形形成电阻和储能电容配合，决定了波形的形状；阻抗匹配电阻决定了脉冲发生器的输出阻抗（标准为50欧姆）；隔直电容则隔离了脉冲发生器中的直流成分。
2.耦合/去耦网络 交/直流电源端口的耦合/去耦网络（CDN---Couple and Decouple networks），这个网络提供了在不对称条件下把试验电压施加到受试设备的电源端口的能力。这里所谓不对称干扰是指电源线与大地之间的干扰。可以看到从试验发生器来的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（L1、L2、L3、N及PE）上，信号电缆的屏蔽层则和耦合/去耦网络的机壳相连，机壳则接到参考接地端子上。耦合/去耦网络的作用是将干扰信号耦合到EUT并阻止干扰信号干扰连接在同一电网中的不相干设备。一些电快速脉冲发生器已将耦合/去耦网络集成于一体。 3.电容耦合夹关于电容耦合夹的应用，在GB/T17626.4的第6.3节中指出，耦合夹能在受试设备各端口的端子、电缆屏蔽层或受试设备的任何其他部分无任何电连接的情况下把快速瞬变脉冲群耦合到受试线路上。受试线路的电缆放在耦合夹的上下两块耦合板之间，耦合夹本身应尽可能地合拢，以提供电缆和耦合夹之间的最大耦合电容。耦合夹的两端各有一个高压同轴接头，用其最靠近受试设备的这一端与发生器通过同轴电缆连接。高压同轴接头的芯线与下层耦合板相连，同轴接头的外壳与耦合夹的底板相通，而耦合夹放在参考接地板上。
三.实验设置下面是在实验室进行电快速脉冲群抗扰度试验时所必须的配置：
1.参考接地板用厚度为0.25mm以上的铜板或铝板（需提醒的是，普通铝板容易氧化，易造成试验仪器、受试设备的接地电缆与参考接地板之间塔接不良，宜慎用）；若用其他金属板材，要求厚度大于0.65mm。 参考接地板的尺寸取决于试验仪器和受试设备，以及试验仪器与受试设备之间所规定的接线距离（1m）。参考接地板的各边至少应比上述组合超出0.1m。 参考接地板应与实验室的保护地相连。
2.试验仪器（包括脉冲群发生器和耦合/去耦网络）放置在参考接地板上。试验仪器用尽可能粗短的接地电缆与参考接地板连接，并要求在搭接处所产生的阻抗尽可能小。
3.受试设备用0.1±0.01m的绝缘支座隔开后放在参考接地板上（如果受试设备是台式设备，则应放置在离参考接地板高度为0.8±0.08m的木头桌子上）。受试设备（或试验桌子）距参考接地板边缘的最小尺寸满足项1（0.1m）的规定。受试设备应按照设备的安装规范进行布置和连接，以满足它的功能要求。另外，受试设备应按照制造商的安装规范，将接地电缆以尽量小的接地阻抗连接到参考接地板上（注意，不允许有额外的接地情况出现）。当受试设备只有两根电源进线（单相，一根L，一根N），而且不设专门接地线时，受试设备就不能在试验时单独再拉一根接地线。同样，受试设备如果通过三芯电源线进线（单相，一根L，一根N，及一根电气接地线），未设专门接地线时，则此受试设备也不允许另外再设接地线来接地，而且受试设备的这根电气接地线还必须经受抗扰度试验。
4.受试设备与试验仪器之间的相对距离以及电源连线的长度都控制在1m，电源线的离地高度控制在0.1m，如有可能，最好用一个木制支架来摆放电源线。当受试设备的电源线为不可拆卸，而且长度超过1m时，那么超长部分就应当挽成个直径为0.4m的扁平线圈，并行地放置在离参考接地板上方0.1m处。受试设备与试验仪器之间的距离仍控制为1m。标准还规定，上述电源线不应采用屏蔽线，但电源线的绝缘应当良好。 5.试验应在试验室中央进行，除了位于受试设备、试验仪器下方的参考接地板以外，它们与其他所有导电性结构（例如屏蔽室的墙壁和实验室里的其他有金属结构的试验仪器和设备）之间的最小距离为0.5m。 6.当使用耦合夹做被试系统的抗扰度试验时，耦合夹应放置在参考接地板上，耦合夹到参考接地板的边缘尺寸的最小距离为0.1m。同样，除了位于耦合夹下方的参考接地板以外，耦合夹相对所有其他导电性结构之间的最小距离是0.5m。如果试验是针对系统中一台设备（如EUT1）的抗扰度性能测试来说时，则耦合夹与EUT1的距离关系保持不变，而将耦合夹相对EUT2的距离增至5m以上（标准认为较长的导线足够使线路上的脉冲群信号损耗殆尽）。耦合夹也可由1米长的铝箔包裹受试电缆代替，前提是它可以提供和耦合夹一样的等效电容（100pF）。如果现场条件不允许放置1m长的铝箔也可以适当缩短长度，但仍要保证等效耦合电容。也可以将发生器的输出通过100pF的高压陶瓷电容直接加到受试电缆的芯线或是外皮。
7．在电源线上的试验通过耦合/去耦网络以共模方式进行，在每一根线（包括设备的电气接地线）对地（对参考接地板）施加试验电压。要求每一根线在一种试验电压极性下做三次，每次一分钟，中间相隔一分钟。在一种极性做完后，换做另一个极性。一根线做完后，换做另一根线。当然也可以把脉冲同时注入两根线，甚至几根线。
四．试验等级 试验等级所代表的典型工作环境如下：
1级，具有良好保护的环境。计算机机房可代表此类环境；
2级，受保护的环境。工厂和发电厂的控制室可代表此类环境；
3级，典型工业环境。发电厂和户外高压变电站的继电器房可代表此类环境；
4级，严酷的工业环境。为采取特别安装措施的电站或工作电压高达50万伏的开关设备可代表此类环境；X级，由厂家和客户协商决定。
电快速脉冲干扰成分：传导干扰和辐射干扰
由于脉冲群的单个脉冲波形前沿tr达到5ns，脉宽达到50ns，这就注定了脉冲群干扰具有极其丰富的谐波成分。幅度较大的谐波频率至少可以达到1/πtr，亦即可以达到64MHz左右，相应的信号波长为5m。对于一根载有60MHz以上频率的电源线来说，如果长度有1m，由于导线长度已经可以和信号的波长可比，不能再以普通传输线来考虑，信号在线上的传输过程中，部分依然可以通过传输线进入受试设备（传导发射）；部分要从线上逸出，成为辐射信号进入受试设备（辐射发射）。因此，受试设备受到的干扰实际上是传导与辐射的结合。很明显，传导和辐射的比例将和电源线的长度有关，线路越短，传导成分越多，而辐射比例越小；反之，辐射比例就大。这正是同等条件下，为什么金属外壳的设备要比非金属外壳设备更容易通过测试的道理，因为金属外壳的设备抗辐射干扰能力较强。并且辐射的强弱还和电源线与参考接地板之间的相对距离有关（它反映了受试设备与接地板之间的分布电容），EUT离参考接地板越近，则分布电容就越大（容抗越小），干扰信号越不容易以辐射方式逸出；反之亦反。由此可见，试验用的电源线长短，电源线离参考接地板的高度，乃至电源线与受试设备的相对位置，都可成为影响试验结果的因素。因此，为了保证试验结果的可重复性和可比性，注意试验配置的一致性就变得十分重要。信号线和电源线在一起的直流设备的测试
对于像带有USB数据线并通过USB线供电的一类信号线和电源线在一起的设备，如移动硬盘、网络摄像头等，我们要采用电容耦合夹的干扰注入方式。因为如果我们选用耦合/去耦网络，那么去耦网络中的去耦电容（0.1uF左右），以及去耦电感（＞100μH），会使工作信号发生严重失真，特别是对于USB2.0等高速端口，影响更为严重。从而让实验不能如实反映设备的真实状态。但如果是单独的直流电源线（不含信号线），我们仍旧采用耦合/去耦网络来施加干扰。
电快速脉冲干扰是共模性质的
在标准提供的实验设置图中可以看到从试验发生器来的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（L1、L2、L3、N及PE）上，信号电缆的屏蔽层则和耦合/去耦网络的机壳相连，机壳则接到参考接地端子上。这就表明脉冲群干扰实际上是加在电源线与参考大地之间，因此加在电源线上的干扰是共模干扰。而对于采用耦合夹的实验方式来说，电快速脉冲将通过耦合板与受试电缆之间的分布电容进入受试电缆，而受试电缆所接收到的脉冲仍然是相对参考接地板来说的。因此，通过耦合夹对受试电缆所施加的干扰仍然是共模性质的。确定了干扰的性质，那么我们就可以采取相应的措施使设备顺利通过实验。那么我们不难看出，电源滤波器中所使用的X电容（差模电容）对于EFT干扰是没有抑制作用的。如果设备是金属外壳，Y电容（共模电容）会起作用，将高频EFT旁路到外壳上面，然后通过设备外壳和参考地间的分布电容回到信号源，从而不会进入电路。电快速脉冲干扰导致设备失效的机理根据国外学者对脉冲群干扰造成设备失效的机理的研究，单个脉冲的能量较小，不会对设备造成故障。但脉冲群干扰信号对设备线路结电容充电，当上面的能量积累到一定程度之后，就可能引起线路（乃至系统）的误动作。因此，线路出错会有个时间过程，而且会有一定偶然性（不能保证间隔多少时间，线路一定出错，特别是当试验电压达到临界点附近时）。而且很难判断究竟是分别施加脉冲，还是一起施加脉冲，设备更容易失效。也很难下结论设备对于正向脉冲和负向脉冲哪个更为敏感。实践表明，一台设备往往是某一条电缆线，在某一种试验电压，对某个极性特别敏感。实验显示，信号线要比电源线对电快速脉冲干扰敏感得多。
设备通过电快速脉冲测试的有效措施首先我们先分析一下干扰的注入方式：EFT干扰信号是通过耦合去耦网络中的33nF的电容耦合到主电源线上面（而信号或控制电缆是通过电容耦合夹施加干扰，等效电容是100pF）。对于33nF的电容，它的截止频率为100K，也就是100KHZ以上的干扰信号可以通过；而100pF的电容，截止频率为30M，仅允许30MHz频率以上的干扰通过。电快速脉冲的干扰波形为5ns/50ns，重复频率5K，脉冲持续时间15ms，脉冲群重复周期300ms。根据傅立叶变换，它的频谱是从5K--100M的离散谱线，每根谱线的距离是脉冲的重复频率。知道以上几点，施加干扰的耦合电容扮演了一个高通滤波器的角色，因为电容的阻抗随着频率的升高而下降，那么干扰中的低频成分不会被耦合到EUT，而只有频率较高的干扰信号才会进入EUT。当我们在EUT电路中再加入共模电感（特别要注意的是，这里的共模电感一定要加在主电源线及其回线上，否则会发生饱和从而达不到衰减干扰的目的）就可以衰减掉一些高频干扰成分，因为电感的阻抗随着频率的增加而升高。因此，实际施加到EUT上面的干扰信号只有中间频率部分。但要注意的是，耦合电容和共模电感组成了一条LC串联谐振电路，谐振点处的干扰信号幅度最强（谐振点处阻抗最小），而如果此时的电快速脉冲波形恰好在过零点，那么EUT在谐振频率处不会有问题；但如果谐振频率恰好发生在脉冲的峰值时刻，那么EUT就会受到很强的干扰从而失效。所以，要根据EUT对何种干扰频率敏感的特性来调整共模电感的电感量：增大电感值，谐振频率降低，对频率较低的干扰抑制效果好；减小电感值，谐振频率升高，对频率较高的干扰抑制效果明显，从而达到通过试验的目的。