直流側(cè)共模電壓測試方法詳解?

在電力電子系統(tǒng)運(yùn)行過程中，直流側(cè)共模電壓的存在可能對系統(tǒng)穩(wěn)定性、設(shè)備壽命以及周邊電子設(shè)備產(chǎn)生不良影響，如引發(fā)設(shè)備故障、干擾信號傳輸?shù)?。因此，?zhǔn)確、科學(xué)地開展直流側(cè)共模電壓測試至關(guān)重要。本文將從直流側(cè)共模電壓的基本概念入手，詳細(xì)介紹其測試方法，為相關(guān)工程技術(shù)人員提供全面的參考。

一、直流側(cè)共模電壓的概念與產(chǎn)生原因

（一）基本概念

直流側(cè)共模電壓是指在直流供電系統(tǒng)中，相對于系統(tǒng)參考地（通常為大地或特定的參考點(diǎn)），直流側(cè)正、負(fù)極與參考地之間所產(chǎn)生的共同模式的電壓。它與差模電壓不同，差模電壓是直流側(cè)正、負(fù)極之間的電壓差，而共模電壓則體現(xiàn)了正、負(fù)極相對于參考地的整體電位偏移情況。

（二）產(chǎn)生原因

直流側(cè)共模電壓的產(chǎn)生原因較為復(fù)雜，主要包括以下幾個方面：

功率器件開關(guān)動作：在采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)的電力電子變換器中，功率半導(dǎo)體器件（如 IGBT、MOSFET）的快速通斷會導(dǎo)致直流側(cè)電壓出現(xiàn)瞬時波動，進(jìn)而在參考地與直流側(cè)正、負(fù)極之間產(chǎn)生共模電壓。例如，當(dāng) IGBT 快速關(guān)斷時，電路中的寄生電感會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，使得直流側(cè)電位發(fā)生變化，形成共模電壓。

電路寄生參數(shù)：電力電子系統(tǒng)中存在大量的寄生電容和寄生電感，如功率器件與散熱片之間的寄生電容、電纜與大地之間的寄生電容等。這些寄生參數(shù)會在系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生耦合效應(yīng)，導(dǎo)致共模電壓的產(chǎn)生。比如，直流側(cè)電纜與大地之間的寄生電容會使得一部分電流通過該電容流向大地，從而在直流側(cè)與大地之間形成共模電壓。

接地方式不合理：系統(tǒng)接地方式的選擇對共模電壓的產(chǎn)生有著重要影響。如果接地電阻過大、接地線路過長或接地極布置不當(dāng)，會導(dǎo)致參考地電位不穩(wěn)定，進(jìn)而引發(fā)直流側(cè)共模電壓。例如，在多個設(shè)備共用一個接地極的情況下，當(dāng)其中一個設(shè)備產(chǎn)生較大電流時，會在接地極上產(chǎn)生電壓降，導(dǎo)致其他設(shè)備的參考地電位發(fā)生變化，從而產(chǎn)生共模電壓。

外部干擾：直流供電系統(tǒng)可能會受到外部電磁干擾的影響，如雷電干擾、周邊大功率設(shè)備的電磁輻射等。這些外部干擾會在系統(tǒng)中感應(yīng)出電壓，進(jìn)而產(chǎn)生共模電壓。例如，當(dāng)雷電擊中附近的電力線路時，會在線路上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，該過電壓會通過耦合作用傳遞到直流側(cè)，形成共模電壓。

二、測試前的準(zhǔn)備工作

（一）測試設(shè)備選型

示波器：應(yīng)選擇具有高輸入阻抗、高帶寬和高采樣率的示波器。輸入阻抗不低于 1MΩ，以避免對測試電路產(chǎn)生過大的負(fù)載影響；帶寬應(yīng)至少為被測試共模電壓最高頻率成分的 3-5 倍，確保能夠準(zhǔn)確捕捉共模電壓的波形；采樣率建議不低于帶寬的 2 倍，以滿足 Nyquist 采樣定理，避免波形失真。例如，若預(yù)計(jì)共模電壓的最高頻率成分為 100MHz，則示波器帶寬應(yīng)選擇 300-500MHz，采樣率不低于 600MS/s。

電壓探頭：需選用差分電壓探頭，因?yàn)楣材ｋ妷菏窍鄬τ趨⒖嫉氐碾妷?，差分探頭能夠有效抑制共模干擾，準(zhǔn)確測量兩點(diǎn)之間的電壓差（此處即直流側(cè)正、負(fù)極與參考地之間的電壓）。探頭的帶寬應(yīng)與示波器帶寬相匹配，輸入電壓范圍應(yīng)覆蓋被測試共模電壓的可能取值范圍，同時要考慮探頭的衰減比，確保能夠?qū)y試電壓準(zhǔn)確衰減到示波器的輸入量程范圍內(nèi)。

參考地設(shè)置工具：準(zhǔn)備專用的接地極、接地線和接地電阻測量儀。接地極應(yīng)采用銅材質(zhì)，長度不小于 1.5m，以保證良好的接地效果；接地線選用截面積不小于 2.5mm2 的多股銅芯線，降低接地電阻；接地電阻測量儀用于測量接地極的接地電阻，確保接地電阻不大于 4Ω，滿足測試要求。

輔助工具：包括絕緣手套、絕緣鞋、螺絲刀、剝線鉗等，用于確保測試人員的人身安全以及測試過程中對電路的連接和調(diào)整。

（二）測試環(huán)境搭建

場地選擇：選擇遠(yuǎn)離大功率電磁干擾源（如變壓器、電動機(jī)、高頻加熱設(shè)備等）的場地，避免外部電磁干擾對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。測試場地應(yīng)保持干燥、清潔，溫度控制在 15-30℃，濕度不大于 75%，以保證測試設(shè)備和測試電路的正常工作。

接地系統(tǒng)搭建：將專用接地極打入地下，確保接地極與大地良好接觸，然后用接地線將接地極與測試系統(tǒng)的參考地端子（如示波器的接地端、被測試設(shè)備的接地端）可靠連接。使用接地電阻測量儀測量接地電阻，若接地電阻大于 4Ω，可通過增加接地極數(shù)量、在接地極周圍添加降阻劑等方式降低接地電阻，直至滿足要求。

測試電路連接：在連接測試電路前，確保被測試直流系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)，并對系統(tǒng)進(jìn)行放電處理，避免電容殘留電壓對測試人員和設(shè)備造成傷害。按照測試方案的要求，將差分電壓探頭的兩個輸入端分別連接到直流側(cè)的正極和負(fù)極，探頭的接地端連接到搭建好的參考地。同時，檢查電路連接是否牢固、正確，避免虛接或短路現(xiàn)象。

（三）安全措施

人員防護(hù)：測試人員必須穿戴絕緣手套、絕緣鞋，避免直接接觸帶電部件。在進(jìn)行高壓測試時，應(yīng)配備專人監(jiān)護(hù)，確保測試過程中的人身安全。

設(shè)備保護(hù)：在測試設(shè)備的輸入端設(shè)置合適的保護(hù)措施，如安裝熔斷器、過電壓保護(hù)器等，防止測試過程中出現(xiàn)過電壓、過電流損壞設(shè)備。同時，在測試前對測試設(shè)備進(jìn)行通電檢查，確保設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。

應(yīng)急預(yù)案：制定完善的應(yīng)急預(yù)案，如遇到設(shè)備故障、觸電事故等突發(fā)情況時的處理措施。準(zhǔn)備好急救設(shè)備和藥品，確保在發(fā)生意外時能夠及時進(jìn)行救治。

三、具體測試步驟

（一）靜態(tài)測試（系統(tǒng)未加載情況下）

通電前檢查：再次檢查測試電路的連接情況，確認(rèn)差分電壓探頭連接正確、接地良好，示波器的參數(shù)設(shè)置（如量程、帶寬、采樣率等）符合測試要求。同時，檢查被測試直流系統(tǒng)的電源開關(guān)處于斷開狀態(tài)，確保系統(tǒng)無電壓輸入。

系統(tǒng)通電：按照被測試直流系統(tǒng)的操作規(guī)程，逐步給系統(tǒng)通電，觀察系統(tǒng)是否正常啟動，有無異常報警信號。

共模電壓測量：待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，啟動示波器，調(diào)整示波器的顯示參數(shù)，使共模電壓波形清晰顯示。記錄示波器上顯示的共模電壓的峰值、有效值和平均值等參數(shù)。為了保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)在不同的時間點(diǎn)多次測量，取平均值作為靜態(tài)測試的最終結(jié)果。

波形觀察與分析：仔細(xì)觀察共模電壓的波形，判斷波形是否存在異常，如尖峰脈沖、振蕩等。分析異常波形產(chǎn)生的原因，若懷疑是測試設(shè)備或測試電路問題，應(yīng)及時檢查并排除故障后重新測試。

（二）動態(tài)測試（系統(tǒng)加載情況下）

加載準(zhǔn)備：根據(jù)被測試直流系統(tǒng)的額定參數(shù)和測試要求，選擇合適的負(fù)載（如電阻負(fù)載、電感負(fù)載、整流負(fù)載等），并將負(fù)載與直流系統(tǒng)的輸出端可靠連接。確保負(fù)載的容量能夠滿足系統(tǒng)加載測試的需求，同時避免負(fù)載過大導(dǎo)致系統(tǒng)過載損壞。

加載過程控制：采用逐步加載的方式，將負(fù)載從 0 逐步增加到系統(tǒng)的額定負(fù)載，每增加一個負(fù)載等級，等待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行一段時間（通常為 5-10 分鐘）后，再進(jìn)行共模電壓的測量。記錄不同負(fù)載等級下系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)（如輸出電流、輸出電壓等）和共模電壓的相關(guān)參數(shù)（峰值、有效值、平均值）。

動態(tài)波形記錄與分析：在加載過程中，實(shí)時記錄共模電壓的波形變化，觀察共模電壓在負(fù)載變化瞬間的響應(yīng)情況，如電壓峰值的波動、波形的畸變程度等。分析負(fù)載變化對共模電壓的影響規(guī)律，判斷系統(tǒng)在動態(tài)運(yùn)行過程中抵御共模電壓干擾的能力。

過載測試（可選）：若測試要求包括過載能力測試，可在系統(tǒng)額定負(fù)載的基礎(chǔ)上，逐步增加負(fù)載至系統(tǒng)的過載保護(hù)閾值，觀察系統(tǒng)在過載情況下共模電壓的變化情況以及系統(tǒng)的保護(hù)動作是否正常。在過載測試過程中，要密切關(guān)注系統(tǒng)的溫度、電流等參數(shù)，避免系統(tǒng)長時間過載造成損壞。

四、測試數(shù)據(jù)處理與分析

（一）數(shù)據(jù)整理

將靜態(tài)測試和動態(tài)測試過程中記錄的共模電壓參數(shù)（峰值、有效值、平均值）、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)（輸出電壓、輸出電流、溫度等）以及測試時間、負(fù)載等級等信息按照一定的格式進(jìn)行整理，形成測試數(shù)據(jù)表格。例如，可按照測試類型（靜態(tài)測試、動態(tài)測試）、負(fù)載等級分別建立數(shù)據(jù)表格，清晰呈現(xiàn)不同測試條件下的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

（二）數(shù)據(jù)有效性判斷

異常數(shù)據(jù)識別：對比同一測試條件下多次測量的數(shù)據(jù)，若某個數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)的偏差較大（通常偏差超過 ±10%），則該數(shù)據(jù)可能為異常數(shù)據(jù)。同時，結(jié)合共模電壓的波形進(jìn)行判斷，若某一次測量的波形存在明顯的失真、干擾等異常情況，對應(yīng)的測量數(shù)據(jù)也應(yīng)視為異常數(shù)據(jù)。

異常數(shù)據(jù)處理：對于識別出的異常數(shù)據(jù)，應(yīng)首先檢查測試設(shè)備、測試電路是否存在問題，如探頭連接是否松動、示波器參數(shù)設(shè)置是否正確、接地是否良好等。若存在問題，排除故障后重新進(jìn)行測試，獲取新的數(shù)據(jù)；若無法找到明確的故障原因，且異常數(shù)據(jù)數(shù)量較少，可將其剔除，采用剩余正常數(shù)據(jù)的平均值作為該測試條件下的最終數(shù)據(jù)。

（三）數(shù)據(jù)分析

靜態(tài)與動態(tài)對比分析：對比靜態(tài)測試和動態(tài)測試（不同負(fù)載等級）下的共模電壓參數(shù)，分析系統(tǒng)在無負(fù)載和有負(fù)載情況下共模電壓的變化規(guī)律。例如，判斷隨著負(fù)載的增加，共模電壓的峰值、有效值是否呈上升趨勢，以及變化幅度的大小，評估負(fù)載對共模電壓的影響程度。

頻率特性分析：通過對共模電壓波形進(jìn)行傅里葉變換，分析共模電壓的頻率成分分布。了解共模電壓中主要的頻率分量，以及各頻率分量的幅值大小，為后續(xù)采取共模干擾抑制措施提供依據(jù)。例如，若共模電壓中某一特定頻率的分量幅值較大，則可針對該頻率設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波電路。

與標(biāo)準(zhǔn)對比分析：將測試得到的共模電壓參數(shù)與相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)備技術(shù)規(guī)范進(jìn)行對比，判斷被測試直流系統(tǒng)的共模電壓是否符合要求。若共模電壓超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，應(yīng)分析原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，如優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、增加共模濾波環(huán)節(jié)等。

五、測試過程中的注意事項(xiàng)

測試設(shè)備校準(zhǔn)：在進(jìn)行測試前，應(yīng)對示波器、電壓探頭等測試設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，確保設(shè)備的測量精度符合要求。校準(zhǔn)周期應(yīng)按照設(shè)備的使用說明書和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定執(zhí)行，一般每年至少校準(zhǔn)一次。若測試設(shè)備長時間未使用或經(jīng)過維修后，應(yīng)重新進(jìn)行校準(zhǔn)。

避免探頭干擾：在連接差分電壓探頭時，應(yīng)盡量縮短探頭的連接導(dǎo)線長度，避免導(dǎo)線之間的交叉和纏繞，以減少寄生電感和寄生電容的影響。同時，探頭的接地線應(yīng)采用短而粗的導(dǎo)線，確保接地良好，降低接地環(huán)路干擾。

測試順序合理安排：應(yīng)先進(jìn)行靜態(tài)測試，待靜態(tài)測試結(jié)果正常后，再進(jìn)行動態(tài)測試。在動態(tài)測試過程中，按照從低負(fù)載到高負(fù)載的順序逐步進(jìn)行，避免一開始就加載高負(fù)載導(dǎo)致系統(tǒng)損壞。

關(guān)注系統(tǒng)溫度變化：在測試過程中，密切關(guān)注被測試直流系統(tǒng)的溫度變化，尤其是功率器件、變壓器等關(guān)鍵部件的溫度。若溫度過高，應(yīng)暫停測試，待系統(tǒng)冷卻后再繼續(xù)，防止系統(tǒng)因過熱而損壞。同時，溫度的變化也可能影響共模電壓的大小，在數(shù)據(jù)分析時應(yīng)考慮溫度因素的影響。

測試數(shù)據(jù)及時保存：在測試過程中，及時將測量得到的數(shù)據(jù)和波形保存到計(jì)算機(jī)或其他存儲設(shè)備中，避免數(shù)據(jù)丟失。保存的數(shù)據(jù)應(yīng)包括測試條件、測試時間、測試數(shù)據(jù)、波形圖等信息，以便后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和查閱。

六、常見問題及解決方法

（一）測試數(shù)據(jù)波動較大

可能原因：接地不良，存在接地環(huán)路干擾；測試電路中存在虛接現(xiàn)象；外部電磁干擾較強(qiáng)；示波器參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，如采樣率過低、觸發(fā)方式不合適等。

解決方法：檢查接地系統(tǒng)，確保接地電阻符合要求，消除接地環(huán)路；重新檢查測試電路的連接，緊固松動的接線端子，排除虛接現(xiàn)象；將測試設(shè)備和被測試系統(tǒng)遠(yuǎn)離電磁干擾源，或采取屏蔽措施（如使用屏蔽電纜、屏蔽罩等）減少外部干擾；調(diào)整示波器的參數(shù)，提高采樣率，選擇合適的觸發(fā)方式（如邊沿觸發(fā)、脈沖觸發(fā)等），確保能夠穩(wěn)定捕捉共模電壓波形。

（二）共模電壓波形失真

可能原因：電壓探頭帶寬不足，無法準(zhǔn)確捕捉共模電壓的高頻成分；探頭衰減比設(shè)置錯誤，導(dǎo)致輸入示波器的電壓信號超出量程或過小；測試電路中存在寄生參數(shù)，如寄生電感、寄生電容過大，導(dǎo)致波形畸變。

解決方法：更換帶寬更高的電壓探頭，確保探頭帶寬能夠覆蓋共模電壓的最高頻率成分；檢查探頭的衰減比設(shè)置，根據(jù)被測試共模電壓的大小選擇合適的衰減比，使輸入示波器的電壓信號在量程范圍內(nèi)；優(yōu)化測試電路設(shè)計(jì)，減少寄生參數(shù)的影響，如縮短導(dǎo)線長度、采用表面貼裝元件等。

（三）示波器無顯示或顯示異常

可能原因：示波器未通電或電源故障；探頭與示波器連接不良；示波器通道設(shè)置錯誤；被測試共模電壓過小，未達(dá)到示波器的檢測閾值。

解決方法：檢查示波器的電源連接，確保電源正常，若電源故障，及時維修或更換電源；重新連接探頭與示波器，確保連接牢固、正確；檢查示波器的通道設(shè)置，確認(rèn)選擇了正確的測試通道；調(diào)整示波器的量程，降低檢測閾值，或選用靈敏度更高的電壓探頭。

通過以上對直流側(cè)共模電壓測試方法的詳細(xì)介紹，相信能夠?yàn)楣こ碳夹g(shù)人員開展相關(guān)測試工作提供有力的支持。在實(shí)際測試過程中，應(yīng)根據(jù)被測試系統(tǒng)的具體情況，靈活調(diào)整測試方案，嚴(yán)格遵守測試操作規(guī)程和安全措施，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，為直流供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)提供重要的參考依據(jù)。

以上內(nèi)容由普科科技/PRBTEK整理分享， 西安普科電子科技有限公司致力于示波器測試附件配件研發(fā)、生產(chǎn)、銷售，涵蓋產(chǎn)品包含電流探頭、差分探頭、高壓探頭、無源探頭、羅氏線圈、電流互感器、射頻測試線纜及測試附件線等。旨在為用戶提供高品質(zhì)的探頭附件，打造探頭附件國產(chǎn)化知名品牌。更多信息，歡迎登陸官方網(wǎng)站進(jìn)行咨詢：http://www.jmcsled.cn/