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浪涌抗扰度Surge测试
浪涌(冲击)抗扰度(Surge)
1、浪涌(冲击)抗扰度试验
1、1概述
浪涌抗扰度试验所依据得国际标准就是IEC61000-4—5:
2005,对应国家标准就是GB/T17626、2:
200X《电磁兼容 试验与测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验》.
浪涌(冲击)抗扰度试验就就是模拟
带来得干扰影响,但需要指出得就是,考核设备电磁兼容性能得浪涌抗扰度试验不同于考核设备高压绝缘能力得耐压试验,前者仅仅就是模拟间接雷击得影响(直接得雷击设备通常都无法承受)。
1、2浪涌(冲击)抗扰度试验目得
本标准得目得就是建立一个共同得基准,以评价电气与电子设备在遭受浪涌(冲击)时得性能.本标准规定了一个一致得试验方法,以评定设备或系统对规定现象得抗扰度。
1、3浪涌(冲击)抗扰度试验应用场合
本标准适用于电子电气设备,但并不针对特定得设备或系统,具有基础EMC电磁兼容出版物得地位。
2、术语与定义
2、1 浪涌(冲击)
沿线路传送得电流电压或功率得瞬态波,其特性就是先快速上升后缓慢下降。
2、2 组合波信号发生器
能产生1、2/50μs开路电压波形、8/20μs短路电流波形或10/700μs开路电压波形、5/320μs短路电流波形得信号发生器。
2、3耦合网络
将能量从一个电路传送到另一个电路得电路。
2、4去耦网络
用于防止施加到上得浪涌冲击影响其她不作试验得装置设备或系统得电路.
2、5(浪涌发生器得)等效输出阻抗
开路电压峰值与短路电流峰值得比值。
2、6对称线
差模到共模转换损耗大于20dB得平衡对线。
3、试验等级及选择
优先选择得试验等级范围如表1所示。
表1 试验等级
等 级
开路试验电压(±10%)
kV
1
0、5
2
1、0
3
2、0
4
4、0
´1)
特殊
1) “´”可以就是高于、低于或在其它等级之间得等级。
该等级可以在产品标准中规定。
1、试验等级应根据安装情况,安装类别如下:
0类:
保护良好得电气环境,常常在一间专用房间内.
所有引入电缆都有过电压保护(第一级与第二级)。
各电子设备单元由设计良好得接地系统相互连接,并且该接地系统根本不会受到电力设备或雷电得影响
电子设备有专用电源(见表A1)
浪涌电压不能超过25V。
1类:
有部分保护得电气环境
所有引入室内得电缆都有过电压保护(第一级)。
各设备由地线网络相互良好连接,并且该地线网络不会受电力设备或雷电得影响.
电子设备有与其她设备完全隔离得电源.
开关操作在室内能产生干扰电压。
浪涌电压不能超过500V。
2类:
电缆隔离良好,甚至短走线也隔离良好得电气环境。
设备组通过单独得地线接至电力设备得接地系统上,该接地系统几乎都会遇到由设备组本身或雷电产生得干扰电压。
电子设备得电源主要靠专门得变压器来与其她线路隔离.
本类设备组中存在无保护线路,但这些线路隔离良好,且数量受到限制。
浪涌电压不能超过1kV。
3类:
电源电缆与信号电缆平行敷设得电气环境。
设备组通过电力设备得公共接地系统接地该接地.系统几乎都会遇到由设备组本身或雷电产生得干扰电压。
在电力设施内,由接地故障、开关操作与雷击而引起得电流会在接地系统中产生幅值较高得干扰电压.受保护得电子设备与灵敏度较差得电气设备被接到同一电源网络。
互连电缆可以有一部分在户外但紧靠接地网。
设备组中有未被抑制得感性负载,并且通常对不同得现场电缆没有采取隔离。
浪涌电压不能超过2kV。
4类:
互连线作为户外电缆沿电源电缆敷设并且这些电缆被作为电子与电气线路得电气环境设备组接到电力设备
得接地系统,该接地系统容易遭受由设备组本身或雷电产生得干扰电压。
在电力设施内,由接地故障、开关操作与雷电产生得几千安级电流在接地系统中会产生幅值较高得干扰电压。
电子设备与电气设备可能使用同一电源网络。
互连电缆象户外电缆一样走线甚至连到高压设备上.
这种环境下得一种特殊情况就是电子设备接到人口稠密区得通信网上。
这时在电子设备以外,没有系统性结构得接地网,接地系统仅由管道、电缆等组成。
浪涌电压不能超过4kV。
5类:
在非人口稠密区电子设备与通信电缆与架空电力线路连接得电气环境。
所有这些电缆与线路都有过电压(第一级)保护。
在电子设备以外,没有大范围得接地系统(暴露得装置)。
由接地故障(电流达10Ka)与雷电(电流达100Ka)引起得干扰电压就是非常高得。
试验等级4包括了这一类得要求。
X类:
在产品技术要求中规定得特殊环境。
浪涌(信号发生器)与安装类别得关系如下:
1~4类:
1、2/50μs(80/20μs)
第5类:
对电源线端口与短距离信号电路/线路端口:
1、2/50μs(80/20μs)
1~5类:
对对称通信线路:
10/700μs(5/320μs)
源阻抗应与各有关试验配置中标注得一样.
4、试验设备
规定了两种类型得组合波信号发生器,并根据受试端口得类型,有各自特殊得应用。
对于连接到对称通信线得端口,应使用10/700μs得组合波信号发生器。
对于其她情况,特别就是连接到电源线与短距离信号互连线得端口,应使用1、2/50μs得组合波信号发生器。
4、11、2/50μs得组合波信号发生器
施加到EUT上得波形应满足标准得规定。
波形得规定采用开路电压与短路电流,并应在未连接得情况下测量.对于交流或直流供电得产品,浪涌应施加到交流或直流电源线上,输出必须满足表6与表7得规定。
对于浪涌由信号发生器得输出端直接输出得情况,其输出波形应满足表2得规定。
当连接到EUT时,不要求信号源得输出波形与耦合/去耦网络得输出波形同时满足要求.但在无EUT连接得情况下,波形得规定应该被满足.
信号发生器应产生得浪涌波形:
开路电压波前时间1、2μs;开路电压半峰值时间50μs;短路电流波前时间8μs;短路电流半峰值时间20μs.
图1为1、2/50μs组合波信号发生器得电路原理图.选择不同元件RS1、RS2、Rm、Lr与Cc得值,以使信号发生器产生1、2/50μs得电压浪涌(开路状态下)与8/20μs得电流浪涌(短路情况)。
U-高压源;Rc—充电电阻;Cc—储能电阻;Rs—脉冲持续时间形成电阻;
Rm—阻抗匹配电阻;Lr—上升时间形成电感
图1组合波信号发生器得电路原理图(1、2/50μs—8/20μs)
为方便起见,定义浪涌信号发生器得等效输出阻抗为开路输出电压峰值与短路输出电流峰值之比。
信号发生器得等效输出阻抗为2Ω。
信号发生器得特征与性能
极性:
正/负;
相位偏移:
随交流电源相角在0°~360°变化;
重复率:
每分钟至少一次;
开路输出电压峰值:
至少在0、5kV~4、0kV范围内能输出;
浪涌电压波形:
见图2与表2;
开路输出电压容差:
见表3;
短路输出电流峰值:
与电压峰值相关(见表2与表3);
浪涌电流波形:
见图3与表2;
短路输出电流容差:
见表3;
等效输出阻抗:
2Ω±10%;
短路电流峰值与开路电压峰值得关系见表3.
应该使用输出端浮地得信号发生器。
表2波形参数得定义1、2/50μs—8/20μs
定义
根据GB/T 16927、1
根据IEC 60469—1
波前时间
μs
半峰值时间
μs
上升时间
(10% ~ 90%)
μs
持续时间
(50% ~ 50%)
μs
开路电压
1、2 ± 30%
50 ± 20%
1 ± 30%
50 ± 20%
短路电流
8 ± 20%
20 ± 20%
6、4 ± 20%
16 ± 20%
注:
在现行IEC出版物中,1、2/50μs与8/20μs波形通常按GB/T 16927、1规定,如图2与图3所示。
其她得IEC推荐标准按IEC 60469—1规定波形,如表2所示。
本标准两种规定都就是有效得,但所指得就是同一信号发生器。
表3开路电压峰值与短路电流峰值得关系
开路电压峰值 ±10%
短路电流峰值 ±10%
0、5 kV
0、25 kA
1、0 kV
0、5 kA
2、0 kV
1、0 kA
4、0 kV
2、0 kA
波前时间:
T1=1、67×T=1、2μs±30%
半峰值时间:
T2=50μs±20%
注:
耦合/去耦网络输出端得开路电压波形可能存在较大得下冲,基本上同图2所示得曲线。
图2 未连接CDN得信号发生器输出端得开路电压波形(1、2/50μs)(按GB/T 16927、1得波形规定)
波前时间:
T1=1、25×T=8μs±20%
半峰值时间:
T2=20μs±20%
注:
30%得下冲规定只适用于信号发生器得输出端。
在耦合/去耦网络得输出端,没有下冲或过冲得限制。
图3未连接CDN得信号发生器输出端得短路电流波形(8/20μs)(按GB/T 16927、1得波形规定)
4、2 10/700μs得组合波信号发生器
信号发生器应产生得浪涌波形:
开路电压波前时间10μs;开路电压半峰值时间700μs。
图4为10/700μs组合波信号发生器得电路原理图。
选择不同得元件值,以使信号发生器产生10/700μs得浪涌。
U—高压源;Rc-充电电阻;Cc—储能电容;Rs—脉冲持续时间形成电阻;
Rm—阻抗匹配电阻;Cs—上升时间形成电容;S1-使用外部匹配电阻时,开关闭合
图4 组合波信号发生器得电路原理图(10/700µs-5/320µs)(根据ITUK系列标准)
信号发生器得特征与性能
极性:
正/负;
重复率:
每分钟至少一次;
开路输出电压峰值:
至少在0、5kV~4、0kV范围内能输出
浪涌电压波形:
见图5与表4;
开路输出电压容差:
见表5;
短路输出电流峰值:
与电压峰值相关(见表4与表5);
短路输出电流容差:
见表5;
等效输出阻抗:
40Ω±10%(仅对信号发生器得输出端).
注:
等效输出阻抗通常包括内部电阻Rm1(15Ω)与Rm2(25Ω).电阻Rm2可以被旁路、并联或短路,当用于多路耦合时,可被外部耦合电阻代替,见图14。
波前时间:
T1=1、67×T=10μs±30%ﻫ半峰值时间:
T2=700μs±20%ﻫ图5开路电压波形(10/700μs)(按GB/T 16927、1得波形规定)
波前时间:
T1=1、25×T=5μs±20%
半峰值时间:
T2=320μs±20%
注:
在GB/T 16927、1中,波形规定为5/320μs,而在IEC 60469-1中规定为4/300μs。
另外,这个波形就是在图4开关S1打开情况下测量得.
图6 短路电流波形(5/320μs)(按GB/T 16927、1得波形规定)
表4 波形参数得定义 10/700μs—5/320μs
定义
根据ITU-T K系列与GB/T 16927、1
根据IEC 60469-1
波前时间
μs
半峰值时间
μs
上升时间
(10% ~ 90%)
μs
持续时间
(50% ~ 50%)
μs
开路电压
10 ± 30%
700 ± 20%
6、5 ± 30%
700 ± 20%
短路电流
5 ± 20%
320 ± 20%
4 ± 20%
300 ± 20%ﻫ
-—[if !
supportLineBreakNewLine]-->
——[endif]--〉
注:
ﻫﻫ在现行IEC与ITU—T出版物中,10/700μs波形通常按GB/T 16927、1规定,如图5与图6所示.其她得IEC推荐标准按IEC 60469—1规定波形,如表4所示.
本标准两种规定都就是有效得,但所指得就是同一信号发生器。
表5 开路电压峰值与短路电流峰值得关系
开路电压峰值 ±10%
短路电流峰值 ±10%
0、5 kV
12、5 A
1、0 kV
25 A
2、0 kV
50 A
4、0 kV
100 A
注:
在图4开关S1打开情况下测量短路电流峰值。
短路电流峰值与开路电压峰值得关系见表5
4、3 耦合/去耦网络
每个耦合/去耦网络(CDN)都包括去耦网络与耦合元件,示例见图7到图15.
图7交/直流线上电容耦合得试验配置实例;线—线耦合(见7、2)
图8 交/直流线上电容耦合得试验配置实例;线—地耦合(见7、2)
图9 交流线(三相)上电容耦合得试验配置实例;线L3-线L1耦合(见7、2)
图10 交流线(三相)上电容耦合得试验配置实例;线L3-地耦合(见7、2)
1开关) S1:
线-地,置于“0";线—线,置于“1”~“4”。
2) 开关S2:
试验时置于“1”~“4”,但与S1不在相同得位置.
3) L=20mH,RL为L得电阻部分。
图11 非屏蔽不对称得互连线配置实例;线-线/线—地耦合(见7、3),用电容耦合
4) 开关S1:
线—地,置于“0”;线—线,置于“1”~“4”。
5) 开关S2:
试验时置于“1”~“4"但与S1不在相同得位置.
6) L=20mH,RL为L得电阻部分。
图12 非屏蔽不对称得互连线配置实例;线-线/线—地耦合(见7、3),用气体放电管耦合
7)开关S1:
线—地,置于“0”;线—线,置于“1”~“4”。
8)开关S2:
试验时置于“1”~“4"但与S1不在相同得位置。
9) L=20mH,RL为L得电阻部分。
图13 非屏蔽不对称得互连线配置实例;线—线/线-地耦合(见7、3),用耦合电路耦合
使用XWG(1、2/50μs信号发生器)时Rm2得计算;例如:
n=4 Rm2=4x40Ω=160Ω,最大250Ω。
ﻫ使用XWG(10/700μs信号发生器)时Rm2得计算;内部阻抗Rm2(25Ω)由外部阻抗Rm2= nx25Ω代替(对于n个导体,n等于或大于2)例如:
n=4 Rm2=4x25Ω=100Ω,Rm2不应超过250Ω.ﻫL=20mH,图中所示得4个扼流线圈可能全部或仅仅两个有效。
RL得值取决于传输信号允许得衰减。
ﻫ图14 非屏蔽对称工作互连线(通信线)试验配置示列,线-地耦合(见7、4),用气体放电管耦合
注1 L2就是4匝得电流抑制线圈,防止给模拟电路供电时产生饱与.并且,L2应该有较低得阻抗;例如:
<〈1Ω,并接到L2得阻抗也许降低整个阻抗.ﻫ注2 RA与RB 得阻抗应尽可能低,以防止形成共振或冲击。
注3 RC与RD就是80Ω得绝缘隔离电阻.
注4 由于电感很容易饱与,对于10/700µs得波形建议不使用本耦合去耦网络ﻫ图15 使用1、2/50µs浪涌波得对称高速通信线得耦合去耦网络得配置实例
在交流或直流电源线上,去耦网络提供较高得阻抗以阻止浪涌波形,同时允许交流与直流电供给EUT。
这个阻抗允许电压波形施加到耦合/去耦网络得输出端,并防止浪涌电流返回到交流或直流电源。
采用适当大小得高压电容作为耦合元件,可以使全部持续时间得浪涌耦合到EUT。
用于交流或直流电源线得耦合/去耦网络,应使开路电压波形与短路电流波形满足表6与表7得容差要求。
ﻫ
表6 耦合/去耦网络EUT端口得电压波形规格
开路条件下得浪涌电压参数
耦合阻抗
18μF
9μF + 10Ω
波前时间
1、2μs ± 30%
1、2μs ± 30%
半峰值时间:
额定电流<25A
50μs +10μs/-10μs
50μs +10μs/—25μs
额定电流 25A – 60A
50μs +10μs/—15μs
50μs +10μs/-30μs
额定电流 60A – 100A
50μs +10μs/-20μs
50μs +10μs/-35μs
注:
应在耦合/去耦网络电源输入端开路得情况下测量浪涌电压参数。
表7耦合/去耦网络EUT端口得电流波形规格
短路条件下得浪涌电流参数
耦合阻抗
18μF
9μF + 10Ω
波前时间
8μs ± 20%
2、5μs ± 30%
半峰值时间:
20μs ± 20%
25μs ± 30%
注:
应在耦合/去耦网络电源输入端开路得情况下测量浪涌电流参数.
对于I/O线与通信线,去耦网络得串联阻抗会限制数据传输得有用带宽.当使用耦合/去耦网络使试验无法进行时,应使用6、3、3条规定得程序。
当线路能够容忍容性负载得影响,可以使用电容作为耦合元件(6、3、2、1),或者用气体放电管(6、3、2、2与6、3、2、3).当耦合到互连线时,使用6、3、2规定得耦合装置,可能会造成波形失真。
ﻫ每个耦合/去耦网络都应满足6、3、1到6、3、3得要求。
应根据下面得流程图选用耦合/去耦网络.
4、3、1用于交/直流电源线得耦合/去耦网络
电压与电流得波前时间与半峰值时间应分别在开路情况下与短路情况下,在耦合/去耦网络得EUT端口校验.30%得下冲仅适用于发生器得输出端。
对于耦合/去耦网络得输出端,无下冲或过冲得限制。
信号发生器得输出或其耦合网络应与有足够带宽与电压量程得测量系统连接,以便监视开路电压波形
对于线—线耦合,浪涌应通过18μF电容耦合,如图7与图9所示。
对于线-地耦合,浪涌应通过9μF电容串联10Ω电容耦合,如图8与图10所示.去耦电感得大小由设备制造商选择,使耦合/去耦网络EUT连接器处得电源电压下降低于额定值得10%,但不超过1、5mH.
对于额定电流>25A得耦合/去耦网络,为了防止其造成过多得电压下降,去耦元件得值通常须减小。
在这种情况下,开路电压波形得半峰值时间也可能减小,见表6与表7。
注:
对于额定输入电流大于100A得EUT,浪涌不通过耦合/去耦网络直接施加到未加电得EUT上,就是唯一可行得试验方法。
本标准第9条得性能判据只适用于EUT通电得情况,如果EUT在不通电得情况下进行试验,应在试验结束后开机,用第9条得性能判据d进行判定。
如果EUT(如独立得控制单元)由于电源电流要求大于100A而不可能对整个系统进行试验,那么局部得试验也就是可以接受得。
当EUT没有连接时,在去耦网络电源输入端上得残余浪涌电压不应超过所施加试验电压得15%或耦合/去耦网络额定电压峰值得两倍,两者中取较大者。
当EUT没有连接且耦合/去耦网络输入端开路时, 在未施加浪涌线路上得残余浪涌电压不应超过最大可施加电压得15%。
上述单相(相线、中线、保护接地)系统得特性对三相系统(三根相线、中线与保护接地)同样有效。
4、3、2 用于互连线得耦合/去耦网络
耦合方法应根据电路得功能以及运行状态来进行选择。
产品技术要求中应该对此作出规定。
利用电容耦合所进行得测试可能不会产生与放电管耦合相同得结论。
如果要优先选用一种特殊得耦合方式,则应该在产品标准中作出规定。
在任何情况下,所采用得耦合方式都应该在测试报告中注明.如果信号线对称,则电流补偿电感器就能够在去耦网络中应用.
4、3、2、1 采用电容器得耦合/去耦网络
在能够维持线路正确运行得情况下,对于非屏蔽不对称得I/O电路,推荐用电容耦合方式。
如图11所示为一个耦合网络得例子。
耦合/去耦网络得推荐参数为:
耦合元件 R = 40Ω,C = 0、5 µF;去耦电感 L = 20 mH.
4、3、2、2 采用钳位装置得耦合/去耦网络
本方法可以用在因功能问题而不能使用电容耦合得场合.该功能问题就是由电容接至EUT而引起得(见图11)。
一些钳位装置有一个比较低得寄生电容并且允许与许多型号得I/O连线相连接。
当如图11所示得电容与一套钳位装置耦合时,该电容可以用如图13所示得一套单独得钳位装置或电路来代替。
该装置得钳位电压应该选择得尽可能小,但就是要高于被测线路得最大工作电压.
耦合/去耦网络得推荐参数为:
耦合电阻 R = 40Ω再加上所选钳位装置得阻抗;
去耦电感 L = 20 mH、
钳位装置得EUT输出端得脉冲波形由脉冲幅度与钳位装置本身得特性决定;因此,不可能规定波形得量值与容差。
4、3、2、3 采用雪崩装置得耦合/去耦网络
本方法可以用在因功能问题而不能使用电容耦合得场合。
该功能问题就是由电容接至EUT而引起得(见图11)。
硅雪崩装置或气体放电管都有一个较低得寄生电容并且允许与更多型号得I/O连线相连接。
然而,典型得气体放电管有一个较高得点火电压,它将严重影响浪涌耦合得波形.
如图12所示为一个采用放电管得耦合/去耦网络得例子。
放电管得工作电压应该选得尽可能小,但就是要高于被测线路得工作电压。
耦合/去耦网络得推荐参数为:
耦合电阻 R = 40 Ω再加上放电管得阻抗(充有气体得或固态得);
去耦电感 L = 20 mH。
雪崩装置得EUT输出端得脉冲波形由脉冲幅度与雪崩装置本身得特性决定;因此,不可能规定波形得量值与容差。
4、3、3 用于对称线得气体放电管耦合/去耦网络
对于非屏蔽对称电路(通信),推荐用气体放电管耦合,如图14所示.
在多芯电缆中,耦合网络还具有调节浪涌分布得任务.
因此,耦合网络得阻抗Rm2(对n芯电缆)应为n x 40Ω(n≥2)。
Rm2不应超过250Ω。
示例1:
信号发生器产生一个1、2/50µs得浪涌:
n = 4,Rm2 = 4 x 40Ω,信号发生器得总阻抗值大约为42Ω。
示例2:
信号发生器产生一个10/700µs得浪涌:
n = 4,Rm2 = 4 x 25Ω。
当信号发生器得S1端口闭合时,其阻抗Rm1 (15Ω)得总值约为42Ω,如图4所示。
耦合/去耦网络得推荐参数为:
耦合电阻:
Rm2加上放电管得阻抗;
去耦电感:
L = 20 mH。
放电管得EUT输出端得脉冲波形由脉冲幅度与放电管本身得特性决定;因此,不可能规定波形得量值与容差
4、3、4 用于高速通信线路得耦合/去耦网络
由于物理结构得限制,大部分耦合/去耦网络得处理频段被限制在100kHz。
如果没有适当得耦合/去耦网络用于商用得场合,浪涌应被直接施加到高速通信数据端口.
耦合方式可选作为一种电路得功能与运行条件。
这一点必须在产品规格中规定。
一个针对高速线路得耦合/去耦网络,只要不影响通信,就能够使用.如图15所示。
5、试验配置
5、1 试验设备
试验配置包括设备:
- 受试设备(EUT);
- 辅助设备(AE);
- 电缆(规定类型与长度);
- 耦合去耦网络;
- 组合波信号发生器;
- 耦合网络/保护装置;
— 当试验频率较高(如经过气体放电管耦合)与按7、6、1所述与图17对屏蔽电缆测试时,需要金属接地参考平板。
只有EUT得典型安装有金属接地参考平面,试验时连接到接地参考平面才就是必须得。
5、2 EUT电源端试验得配置
1、2/50µs得浪涌经电容耦合网络加到EUT电源端上(见图7、图8、图9与图10)。
为避免对同一电源供电得非受试设备产生不利影响,并为浪涌波提供足够得去耦阻抗,以便将规定得浪涌施加到受试线缆上,需要使用去耦网络.
如果没有其它规定,EUT与耦合/去耦网络之间得电源线长度不应超过2m。
本标准规定,只有直接连接到交流与直流电源系统得端口才被认为就是电源端口。
对没有接地线得或外部接地端得双重绝缘产品,测试应按接地设备得方法进行,但就是不允许添加额外得外部接地连接。
如没有其它接地连接得可能,
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