直流侧共模电压测试方法详解​

在电力电子系统运行过程中，直流侧共模电压的存在可能对系统稳定性、设备寿命以及周边电子设备产生不良影响，如引发设备故障、干扰信号传输等。因此，准确、科学地开展直流侧共模电压测试至关重要。本文将从直流侧共模电压的基本概念入手，详细介绍其测试方法，为相关工程技术人员提供全面的参考。

一、直流侧共模电压的概念与产生原因

（一）基本概念

直流侧共模电压是指在直流供电系统中，相对于系统参考地（通常为大地或特定的参考点），直流侧正、负极与参考地之间所产生的共同模式的电压。它与差模电压不同，差模电压是直流侧正、负极之间的电压差，而共模电压则体现了正、负极相对于参考地的整体电位偏移情况。

（二）产生原因

直流侧共模电压的产生原因较为复杂，主要包括以下几个方面：

功率器件开关动作：在采用脉冲宽度调制（PWM）技术的电力电子变换器中，功率半导体器件（如 IGBT、MOSFET）的快速通断会导致直流侧电压出现瞬时波动，进而在参考地与直流侧正、负极之间产生共模电压。例如，当 IGBT 快速关断时，电路中的寄生电感会产生感应电动势，使得直流侧电位发生变化，形成共模电压。

电路寄生参数：电力电子系统中存在大量的寄生电容和寄生电感，如功率器件与散热片之间的寄生电容、电缆与大地之间的寄生电容等。这些寄生参数会在系统运行过程中产生耦合效应，导致共模电压的产生。比如，直流侧电缆与大地之间的寄生电容会使得一部分电流通过该电容流向大地，从而在直流侧与大地之间形成共模电压。

接地方式不合理：系统接地方式的选择对共模电压的产生有着重要影响。如果接地电阻过大、接地线路过长或接地极布置不当，会导致参考地电位不稳定，进而引发直流侧共模电压。例如，在多个设备共用一个接地极的情况下，当其中一个设备产生较大电流时，会在接地极上产生电压降，导致其他设备的参考地电位发生变化，从而产生共模电压。

外部干扰：直流供电系统可能会受到外部电磁干扰的影响，如雷电干扰、周边大功率设备的电磁辐射等。这些外部干扰会在系统中感应出电压，进而产生共模电压。例如，当雷电击中附近的电力线路时，会在线路上产生感应过电压，该过电压会通过耦合作用传递到直流侧，形成共模电压。

二、测试前的准备工作

（一）测试设备选型

示波器：应选择具有高输入阻抗、高带宽和高采样率的示波器。输入阻抗不低于 1MΩ，以避免对测试电路产生过大的负载影响；带宽应至少为被测试共模电压最高频率成分的 3-5 倍，确保能够准确捕捉共模电压的波形；采样率建议不低于带宽的 2 倍，以满足 Nyquist 采样定理，避免波形失真。例如，若预计共模电压的最高频率成分为 100MHz，则示波器带宽应选择 300-500MHz，采样率不低于 600MS/s。

电压探头：需选用差分电压探头，因为共模电压是相对于参考地的电压，差分探头能够有效抑制共模干扰，准确测量两点之间的电压差（此处即直流侧正、负极与参考地之间的电压）。探头的带宽应与示波器带宽相匹配，输入电压范围应覆盖被测试共模电压的可能取值范围，同时要考虑探头的衰减比，确保能够将测试电压准确衰减到示波器的输入量程范围内。

参考地设置工具：准备专用的接地极、接地线和接地电阻测量仪。接地极应采用铜材质，长度不小于 1.5m，以保证良好的接地效果；接地线选用截面积不小于 2.5mm² 的多股铜芯线，降低接地电阻；接地电阻测量仪用于测量接地极的接地电阻，确保接地电阻不大于 4Ω，满足测试要求。

辅助工具：包括绝缘手套、绝缘鞋、螺丝刀、剥线钳等，用于确保测试人员的人身安全以及测试过程中对电路的连接和调整。

（二）测试环境搭建

场地选择：选择远离大功率电磁干扰源（如变压器、电动机、高频加热设备等）的场地，避免外部电磁干扰对测试结果产生影响。测试场地应保持干燥、清洁，温度控制在 15-30℃，湿度不大于 75%，以保证测试设备和测试电路的正常工作。

接地系统搭建：将专用接地极打入地下，确保接地极与大地良好接触，然后用接地线将接地极与测试系统的参考地端子（如示波器的接地端、被测试设备的接地端）可靠连接。使用接地电阻测量仪测量接地电阻，若接地电阻大于 4Ω，可通过增加接地极数量、在接地极周围添加降阻剂等方式降低接地电阻，直至满足要求。

测试电路连接：在连接测试电路前，确保被测试直流系统处于断电状态，并对系统进行放电处理，避免电容残留电压对测试人员和设备造成伤害。按照测试方案的要求，将差分电压探头的两个输入端分别连接到直流侧的正极和负极，探头的接地端连接到搭建好的参考地。同时，检查电路连接是否牢固、正确，避免虚接或短路现象。

（三）安全措施

人员防护：测试人员必须穿戴绝缘手套、绝缘鞋，避免直接接触带电部件。在进行高压测试时，应配备专人监护，确保测试过程中的人身安全。

设备保护：在测试设备的输入端设置合适的保护措施，如安装熔断器、过电压保护器等，防止测试过程中出现过电压、过电流损坏设备。同时，在测试前对测试设备进行通电检查，确保设备处于正常工作状态。

应急预案：制定完善的应急预案，如遇到设备故障、触电事故等突发情况时的处理措施。准备好急救设备和药品，确保在发生意外时能够及时进行救治。

三、具体测试步骤

（一）静态测试（系统未加载情况下）

通电前检查：再次检查测试电路的连接情况，确认差分电压探头连接正确、接地良好，示波器的参数设置（如量程、带宽、采样率等）符合测试要求。同时，检查被测试直流系统的电源开关处于断开状态，确保系统无电压输入。

系统通电：按照被测试直流系统的操作规程，逐步给系统通电，观察系统是否正常启动，有无异常报警信号。

共模电压测量：待系统稳定运行后，启动示波器，调整示波器的显示参数，使共模电压波形清晰显示。记录示波器上显示的共模电压的峰值、有效值和平均值等参数。为了保证测试结果的准确性，应在不同的时间点多次测量，取平均值作为静态测试的最终结果。

波形观察与分析：仔细观察共模电压的波形，判断波形是否存在异常，如尖峰脉冲、振荡等。分析异常波形产生的原因，若怀疑是测试设备或测试电路问题，应及时检查并排除故障后重新测试。

（二）动态测试（系统加载情况下）

加载准备：根据被测试直流系统的额定参数和测试要求，选择合适的负载（如电阻负载、电感负载、整流负载等），并将负载与直流系统的输出端可靠连接。确保负载的容量能够满足系统加载测试的需求，同时避免负载过大导致系统过载损坏。

加载过程控制：采用逐步加载的方式，将负载从 0 逐步增加到系统的额定负载，每增加一个负载等级，等待系统稳定运行一段时间（通常为 5-10 分钟）后，再进行共模电压的测量。记录不同负载等级下系统的运行参数（如输出电流、输出电压等）和共模电压的相关参数（峰值、有效值、平均值）。

动态波形记录与分析：在加载过程中，实时记录共模电压的波形变化，观察共模电压在负载变化瞬间的响应情况，如电压峰值的波动、波形的畸变程度等。分析负载变化对共模电压的影响规律，判断系统在动态运行过程中抵御共模电压干扰的能力。

过载测试（可选）：若测试要求包括过载能力测试，可在系统额定负载的基础上，逐步增加负载至系统的过载保护阈值，观察系统在过载情况下共模电压的变化情况以及系统的保护动作是否正常。在过载测试过程中，要密切关注系统的温度、电流等参数，避免系统长时间过载造成损坏。

四、测试数据处理与分析

（一）数据整理

将静态测试和动态测试过程中记录的共模电压参数（峰值、有效值、平均值）、系统运行参数（输出电压、输出电流、温度等）以及测试时间、负载等级等信息按照一定的格式进行整理，形成测试数据表格。例如，可按照测试类型（静态测试、动态测试）、负载等级分别建立数据表格，清晰呈现不同测试条件下的各项数据。

（二）数据有效性判断

异常数据识别：对比同一测试条件下多次测量的数据，若某个数据与其他数据的偏差较大（通常偏差超过 ±10%），则该数据可能为异常数据。同时，结合共模电压的波形进行判断，若某一次测量的波形存在明显的失真、干扰等异常情况，对应的测量数据也应视为异常数据。

异常数据处理：对于识别出的异常数据，应首先检查测试设备、测试电路是否存在问题，如探头连接是否松动、示波器参数设置是否正确、接地是否良好等。若存在问题，排除故障后重新进行测试，获取新的数据；若无法找到明确的故障原因，且异常数据数量较少，可将其剔除，采用剩余正常数据的平均值作为该测试条件下的最终数据。

（三）数据分析

静态与动态对比分析：对比静态测试和动态测试（不同负载等级）下的共模电压参数，分析系统在无负载和有负载情况下共模电压的变化规律。例如，判断随着负载的增加，共模电压的峰值、有效值是否呈上升趋势，以及变化幅度的大小，评估负载对共模电压的影响程度。

频率特性分析：通过对共模电压波形进行傅里叶变换，分析共模电压的频率成分分布。了解共模电压中主要的频率分量，以及各频率分量的幅值大小，为后续采取共模干扰抑制措施提供依据。例如，若共模电压中某一特定频率的分量幅值较大，则可针对该频率设计相应的滤波电路。

与标准对比分析：将测试得到的共模电压参数与相关的国家标准、行业标准或设备技术规范进行对比，判断被测试直流系统的共模电压是否符合要求。若共模电压超出标准规定的限值，应分析原因，并提出相应的改进措施，如优化电路设计、增加共模滤波环节等。

五、测试过程中的注意事项

测试设备校准：在进行测试前，应对示波器、电压探头等测试设备进行校准，确保设备的测量精度符合要求。校准周期应按照设备的使用说明书和相关标准的规定执行，一般每年至少校准一次。若测试设备长时间未使用或经过维修后，应重新进行校准。

避免探头干扰：在连接差分电压探头时，应尽量缩短探头的连接导线长度，避免导线之间的交叉和缠绕，以减少寄生电感和寄生电容的影响。同时，探头的接地线应采用短而粗的导线，确保接地良好，降低接地环路干扰。

测试顺序合理安排：应先进行静态测试，待静态测试结果正常后，再进行动态测试。在动态测试过程中，按照从低负载到高负载的顺序逐步进行，避免一开始就加载高负载导致系统损坏。

关注系统温度变化：在测试过程中，密切关注被测试直流系统的温度变化，尤其是功率器件、变压器等关键部件的温度。若温度过高，应暂停测试，待系统冷却后再继续，防止系统因过热而损坏。同时，温度的变化也可能影响共模电压的大小，在数据分析时应考虑温度因素的影响。

测试数据及时保存：在测试过程中，及时将测量得到的数据和波形保存到计算机或其他存储设备中，避免数据丢失。保存的数据应包括测试条件、测试时间、测试数据、波形图等信息，以便后续进行数据分析和查阅。

六、常见问题及解决方法

（一）测试数据波动较大

可能原因：接地不良，存在接地环路干扰；测试电路中存在虚接现象；外部电磁干扰较强；示波器参数设置不当，如采样率过低、触发方式不合适等。

解决方法：检查接地系统，确保接地电阻符合要求，消除接地环路；重新检查测试电路的连接，紧固松动的接线端子，排除虚接现象；将测试设备和被测试系统远离电磁干扰源，或采取屏蔽措施（如使用屏蔽电缆、屏蔽罩等）减少外部干扰；调整示波器的参数，提高采样率，选择合适的触发方式（如边沿触发、脉冲触发等），确保能够稳定捕捉共模电压波形。

（二）共模电压波形失真

可能原因：电压探头带宽不足，无法准确捕捉共模电压的高频成分；探头衰减比设置错误，导致输入示波器的电压信号超出量程或过小；测试电路中存在寄生参数，如寄生电感、寄生电容过大，导致波形畸变。

解决方法：更换带宽更高的电压探头，确保探头带宽能够覆盖共模电压的最高频率成分；检查探头的衰减比设置，根据被测试共模电压的大小选择合适的衰减比，使输入示波器的电压信号在量程范围内；优化测试电路设计，减少寄生参数的影响，如缩短导线长度、采用表面贴装元件等。

（三）示波器无显示或显示异常

可能原因：示波器未通电或电源故障；探头与示波器连接不良；示波器通道设置错误；被测试共模电压过小，未达到示波器的检测阈值。

解决方法：检查示波器的电源连接，确保电源正常，若电源故障，及时维修或更换电源；重新连接探头与示波器，确保连接牢固、正确；检查示波器的通道设置，确认选择了正确的测试通道；调整示波器的量程，降低检测阈值，或选用灵敏度更高的电压探头。

通过以上对直流侧共模电压测试方法的详细介绍，相信能够为工程技术人员开展相关测试工作提供有力的支持。在实际测试过程中，应根据被测试系统的具体情况，灵活调整测试方案，严格遵守测试操作规程和安全措施，确保测试结果的准确性和可靠性，为直流供电系统的设计、调试和维护提供重要的参考依据。

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