试验机供电改装中的瞬态干扰电压抑制

谭秀萍，张 琦，石 娟，白欣鹏

（中国飞行试验研究院 改装部，陕西 西安 710089）

1 引言

近年来，随着我国航空工业的迅猛发展，很多新研制的设备亟待装机进行试飞验证，而我院具备载机试飞验证平台的资源优势，因此进行验证试飞的改装任务也随之增多。被试设备的用电量由小到大，由原来利用飞机剩余电量就可满足试飞验证需求，发展到必须加装辅助电源才能满足新研制设备的用电要求，用电功率高达100 kVA 左右。

在试验机平台改装中，大功率供电系统经常选用接触器、继电器为设备供电的控制器件，由于接触器线圈为感性负载，开关在接通、断开及转换的过程中产生的瞬态干扰电压可达几百伏到几千伏，如果不加以抑制，抑制效果将变差，瞬态干扰会造成设备电源电压的不稳定。不稳定的电压就成了一种干扰源，它可以通过电源线或向外辐射的方式叠加到其他电子设备的输入电压上，结果可能会导致电子设备保护器件的误动作，监控设备运行不正常，数据丢失甚至损坏电子设备，给电子设备的正常工作造成很大的影响，因此对没有脉冲抑制器的元器件必须加装干扰抑制电路。在有些情况下，开关器件即使带有脉冲抑制器，其输出点的干扰电压仍超出国军标的规定范围。

2 瞬态及干扰电压产生的原因

2.1 瞬态过程

当供电系统或供电负载处于正常的工作状态下，系统特性除发生固有变化外不发生明显变动，这是稳态过程。当供电系统或供电负载工作状态发生变化，系统特性发生了瞬态突变，此时系统特性往往超出稳态值范围，并在规定的时间内逐渐恢复到稳定状态范围内，这是瞬态过程[1]。

2.2 瞬态干扰电压产生的原因

不管是在交流电路还是直流电路中，不论是机械开关还是电子开关，只要开关的状态发生变化都会发生供电电源突然与负载接通或断开的情况引起电路中的电流和电压发生跃变[2]。以有电感负载的电路为例，对常用的MZJ-200 接触器外加28 V 直流电源进行了测试，电路如图1 所示。

图1 电器图

工作过程：当开关K 接通，D 点的输出电压波形基本满足要求；为什么接通开关时没有尖峰电压？还是因为很小没有超过规定范围？开关K 断开时，在A、B 和D 点出现脉冲频率较高（几千赫兹到几万赫兹），幅度较大（100 V～500 V）的瞬态电压。如果单从A、C、D 抑制干扰电压，效果不太好，在B 点进行有效抑制后，不但接触器线圈处的瞬态电压抑制了，A、D 点处的瞬态电压也会消失。

通过实验说明，在直流感性负载电路中，当开关K 把电路断开时发生瞬态过程，电路中电流的变化率di（t）/dt 很大，在感性负载的两端会出现很高的反向电压VL（t），即VL（t）=-Ldi（t）/dt，此电压在微秒数量级可达到供电电压的10～100 倍。这个反向电动势叠加在开关两端，如果电压＞300 V，触点间隙被击穿引起火花放电，此时会产生很强的高频脉冲干扰。触点闭合时，因触点的弹跳，使触点之间产生闭合-分离-闭合过程的重复。此过程引起的电压瞬变比触点断开时更为严重。供电导线的电感、负载、触点的抖动、异常闭合导致触点电阻变化，也是瞬态干扰产生的原因。

3 瞬态干扰电压抑制方法

下面介绍几种能有效抑制瞬态干扰的线路，并对其线路的组成、抑制原理、元器件参数的选择及适用进行简单介绍。

3.1 稳压管对抑制电路

稳压管对抑制电路如图2 所示，其中VZ=1.1V0，IZmax＞1.5I0.

图2 稳压管对抑制电路图

稳压管对抑制电路适合交、直流电路，背对背串接的稳定管对对感性负载瞬态抑制电路。当加在稳压管对两端的瞬态电压高于一个稳压管如VZ1的稳压电压VZ1时，稳压管VZ2处于正向导通，VZ1处于反向击穿。把感性负载两端的瞬态电压牵制在稳压电压VZ1与二极管正向导通电压之和处[2]。

3.2 硅瞬变吸收二极管抑制电路

硅瞬变吸收二极管抑制电路如图3 所示，其中VZ＞2V0，IZmax＞1.5I0.

图3 硅瞬变吸收二极管抑制电路图

硅瞬变吸收二极管抑制电路适合直流电路，硅瞬变吸收二极管的工作有点像普通的稳压管，简称TVS 管，是钳位型的干扰吸收器件，具有极快的响应时间（亚纳秒级）和相当高的浪涌吸收能力。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极快的速度把两端之间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，从而将其两端电压钳制在一个预定的数值上，以保护后面的电路元件不受瞬态高电压的冲击[2]。

3.3 电阻抑制电路

电阻抑制电路如图4 所示，适合交、直流电路。

图4 电阻抑制电路图

电阻的选取原则R=（1－3）RL，开关K 断开时，感性负载上的电流流经并联电阻R，形成感性负载释放储能的回路，这时感性负载上的电流变化率di（t）/dt 比没有并联电阻R 时减小了很多，降低了感性负载上的瞬态电压幅值[2]。

3.4 R-C 网络抑制电路

R-C 网络抑制电路如图5 所示，普遍用于交直流开关设备、变压器、电机和其他场合的R-C 感性负载瞬态抑制电路。也广泛应用于保护开关触点，避免在开关触点之间产生飞弧现象，导致开关触点的损坏。开关断开后，感性负载和R-C网络组成频率很低的过阻尼振荡电路，重复发生磁场能转变为电场能，电场能又转变为磁场能的过程，适当地选取参数R=0.2RL，C=L/4R2，可控制电路自由阻尼振荡的频率，如此往复，电路的自由振荡停止下来。

图5 R-C 网络抑制电路图

4 实际应用

利用上面介绍的几种抑制电路，结合实际工作采取合适的方法，有效地解决了工作中经常出现的瞬态干扰问题。

4.1 对普通感性开关元器件的抑制方法

实验证明，抑制开关K 接通或断开感性负载电路引起的瞬态干扰，对接触器主触点和控制开关K 触点，因瞬态过程发生辉光放电和飞弧放电降低使用寿命和技术性能，最有效的方法是在感性负载两端加装合适的抑制网络，同时也能保护开关触点的完好，如图6 所示。

图6 示意图

4.2 触点灭弧方法

上述实验证明，在触点两端加装合适的抑制网路，以降低触点两端的电压为目的，也能有效解决瞬态干扰，如图7所示。

图7 示意图

4.3 实际应用

有些情况下，即使带有抑制电路的接触器，其输出电源的品质也不一定能达到使用要求。这种情况下，可根据上述的基本方法，通过下面几个途径来解决：①对接触器的线圈做个检测，是否因抑制电路不好引起的干扰叠加到主触点上，通过对感性开关元器件的抑制方法进行抑制；②可以在主触点两端加装抑制电路，减小两触点之间的电压差，使主触点在吸合的过程中，减小飞弧放电引起的瞬态干扰电压；③在设备的输入端加装高频滤波器滤除高频信号或加装大功率稳压器装置，使输出电压稳定在规定的电压值之内。

例如在某大型试验机平台改装中，供电系统选用了带有抑制功能的直流270 V 接触器作为被试设备用电的开关元件。在开关K 接通的瞬间，其主触点的瞬态干扰电压幅值达到450 V，是由什么原因产生的？当时在施工中使用了270 V悬浮双线制，线径70 平方的传输线给被试设备供电，是否由于传输线的自感感应电压叠加到主触点？超出了国军标宽度小于50 μs 的尖峰信号电压（瞬变值）在直流电源线上的幅度不应超过额定直流电压的+50%的范围，而在开关K断开时的电压幅值在规定的范围，如图8 所示。

图8 270 V 电源供电示意图

对270 V 电源输出品质进行检查，输出电压符合要求。270 V 接触器触点在吸合或断开瞬间产生电弧现象，原因有以下几点：①此次电压高于270 V，电流大于0.4 A，触点间被击穿产生放电现象；②触点闭合比触点断开产生的电弧现象更严重；③电弧的大小与接触器品质有关。为解决此问题，对接触器的电感线路进行检测，如图9 所示。

图9 波形图

在开关K 接通时，最高电压振幅值55 V，其宽度10～16 μs（60 000 Hz）的瞬态干扰电压。是不是由于55 V 的脉冲电压影响的？通过在接触器线圈两端加装的稳压二极管后，使线圈电压抑制在30 V，而此时接触器主触点输出电压幅值与原状态没有太大变化，此方法不可行。

在设备的输入端加装稳压抑制管，效果很好。但当负载功率很大（38 kW）时，稳压抑制装置的最大稳定电流应高于负载电流50%左右，而大功率稳压抑制装置很难选择到，此方案不可行。在接触器主触点两端加装一个合适的电阻，以减小主触点两端的电压差后，经过控制线路内的延时继电器JI 延时2 s 再吸合接触器主触点后短接电阻，目的是降低因高压产生的飞弧干扰电压，并通过电阻回路吸收干扰电压，如图10 所示。

图10 示意图

当开关K 接通后，J2 工作，使其触点接通，270 V 电流通过电阻R、J2 的3、2 触点和被试设备构成回路，使接触器主触点输出端的电压升高，减小触点两端的电压差，另一路28 V 电流通过J2 的5、6 触点，使延时继电器J1 工作，2 s 后延时继电器J1 的2、3 吸合，使接触器线圈工作，接触器的主触点吸合后短接电阻，瞬态干扰电压通过电阻R 被吸收。

电阻R 的选择：为防止发生电弧，应将触点间的瞬态电流限制在最小电弧维持电流约0.4 A 之下，因此电阻R 应满足下式：V0/IA＜R＜R负，IA为最小电弧维持电流，取0.4 A；V0为电源电压270 V，R负为负载电阻。

经计算R 应大于675 Ω（电阻若过热应考虑功率参数），支路电流和接触器主触点两端的电压差应尽可能小。经实验本电路选择电阻值为750 Ω，接触器主触点输出端瞬态干扰电压被抑制在300 V 左右，如图11 所示，满足被试设备工作用电要求。

图11 接触器主触点吸合时的输出波形

5 结论

在试验机供电系统改装中，感性负载和触点电弧是引起瞬态干扰电压的重要因素。目前我们仍大量使用没有反峰抑制的接触器、继电器，对这类的控制器件，必须在电感线圈两端加装抑制线路，否则对飞机或电子设备会造成很大危害。因抑制线路会使接触器、继电器的释放时间延长，因此在用于转换电路时，应选择响应时间快的抑制线路，转换时间应在50 ms 内，抑制点还可选在设备的输入端和接触器触点两端，根据上述的抑制方法，结合实际情况，选择适合的抑制线路和相匹配的抑制元器件，就可达到预期的效果。