淺談IEC EN61643-11標(biāo)準(zhǔn)以及證測試過程中常見問題

1、淺談IEC/EN61643-11Low Voltage Surge Protective Devices（低壓浪涌保護(hù)器）標(biāo)準(zhǔn)以及認(rèn)證測試過程中常見問題分析摘要：本文解讀了IEC61643-11:2011, EN61643-11:2012 Low Voltage Surge Protective Devices低壓浪涌保護(hù)器測試標(biāo)準(zhǔn)，分析了Type 1 SPD, TYPE 2 SPD, TYPE 3 SPD產(chǎn)品在認(rèn)證測試過程中的常見問題關(guān)鍵詞：Surge Protective Devices, TYPE 1 SPD, TYPE 2 SPD, TYPE 3 SPD，性能測試，常見波形，常見問題一

2、：前言 隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化水平的快速提高，在信息化帶動工業(yè)化的指引下，各類信息設(shè)備、電子計算機(jī)、精密儀器、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，此類設(shè)備一般工作電壓低、耐壓水平低、敏感性高、抗干擾能力低，因而極易受到雷電電流脈沖的危害。每年都給人類造成巨大的直接經(jīng)濟(jì)損失。而因重要設(shè)備損壞使網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓而造成的間接損失更是驚人，已引起國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)Υ祟愊到y(tǒng)加強(qiáng)保護(hù)的高度重視，如下是一個顯示電涌過電壓危害的比例已經(jīng)達(dá)到所有危害的31.68%。二：浪涌保護(hù)器主要沖擊波形說明電壓波1,2/50s Voltage Impulse: 其波頭時間(從10峰值上升到90峰值的時間)為1.2s；半峰值時間為

3、50s (見下圖)8/20s電流波8/20s current Impulse：其波頭時間為8s，半峰值時間為20s (見下圖)10/350s電流波10/350s Current Impulse: 其波頭時間為10s，半峰值時間為350s (見下圖)三： TYPE 1 SPD ，TYPE 2 SPD和TYPE 3 SPD的區(qū)分方式 Type 1 (作為第一級防雷器，對直擊雷電進(jìn)行泄放，其可防范10/350s波形) Type 2 (作為第二級防雷器，針對前級防雷器的殘余電壓以及區(qū)內(nèi)感應(yīng)雷擊的防護(hù)設(shè)備，其需要第二級防雷器進(jìn)行吸收，同時經(jīng)過第一級防雷器的傳輸線路也會感應(yīng)雷電電磁脈沖輻射，當(dāng)線路足夠長感

4、應(yīng)雷的能量就變得足夠大，需要第二級防雷器進(jìn)一步對雷擊能量實施泄放，具體測試時用8/20s電流波進(jìn)行測試) Type 3 (作為第三級防雷器，對經(jīng)過第一級和通過第二級防雷器的殘余雷擊能量進(jìn)行保護(hù)，具體測試時用組合波，1,2/50s電壓波和8/20s電流波進(jìn)行)四：浪涌主要電氣性能測試8.3.2漏電流測試IPE （Residual current IPE）8.3.3限制電壓測試Measuring limiting voltage，包含如下三種測試8/20µs電流波下測試的殘壓：針對TYPE 1 SPD 和TYPE 2 SPD波前放電電壓1.2/50電壓波：針對含有開關(guān)型元器件的TYPE

5、1 SPD和TYPE 2 SPD組合波（1.2/50電壓波和8/20電流波的組合波）下的限制電壓：針對TYPE 3 SPD8.3.4動作負(fù)載測試Operating duty test：相比較限制電壓來說，這個測試需要在加Uc的情況下進(jìn)行8.3.5脫扣以及SPD在過載情況下的安全測試 （包括條款8.3.5.1 耐溫測試，8.3.5.2熱穩(wěn)定測試，8.3.5.3短路性能測試，8.3.5.3.2模擬失效測試）Figure 12是模式失效的測試電路Figure 13是模擬失效測試時間圖8.3.8（臨時故障電壓TOV測試，包括8.3.8.1低壓用戶端故障電壓測試，8.3.8.1缺零情況故障電壓測試，8.

6、3.8.2高壓故障電壓測試）8.3.8.1 LV部分TOV測試（用戶安裝問題導(dǎo)致），測試電壓為1.732Uref，持續(xù)時間為5S，測試結(jié)果需要時耐受8.3.8.1 LV部分TOV測試（缺零問題），測試電壓為1.32Uref，持續(xù)時間為120分鐘，測試結(jié)果可以是耐受，也可以是安全失效8.3.8.2 HV部分TOV測試，測試電壓為1200+Uref，測試時間為200mS, 測試結(jié)果可以是耐受，也可以是安全失效Figure 14 (低壓TOV的測試電路)Figure 15 （低壓TOV的測試時間圖）Figure 16（高壓TOV的測試電路）Figure 17(高壓TOV的測試時間圖)Table B1

7、 （TOV測試的測試電壓）五：測試過程中出現(xiàn)的問題5.1 對于正常沖擊測試來說，比較容易出現(xiàn)的問題如下5.1.1 壓敏電阻在測試中損壞，比如炸開等下圖是一個MOV損壞的樣品照片，可以清晰的看到MOV已經(jīng)炸開了原因分析：廠商所用MOV耐沖擊能量不夠，除了MOV本身的類別以外，MOV的外形尺寸也可以大概判定其實否耐沖擊，比如同一個廠商同一個有認(rèn)證的壓敏電阻型號比如14D471K，雖然樣品標(biāo)志都是14D471K，但是不同廠商最終買了的MOV元器件卻相差甚遠(yuǎn)，有些厚度有3.9毫米，有些只有2.1毫米甚至更薄，有些直徑差不多有15毫米，有些只有13.5毫米左右，對于比較飽滿并且直徑較大的MOV來說，其耐

8、沖擊必然很好，而比較薄并且直徑較小的MOV來說耐沖擊性能則比較差。造成這種差別的原因很多，主要就是成本了。對于元器件廠商來說，一份價錢一份貨，成本控制的后果必然是性能下降。樣品圖片比較:如下左側(cè)和右側(cè)的MOV的型號規(guī)格是完全一樣的，但是左側(cè)樣品所用MOV比較薄，右側(cè)所用MOV則比較厚，這樣撇去其它的因素不說，單單厚薄對于測試結(jié)果來說必然大相徑庭解決方法：廠商需要根據(jù)SPD需要達(dá)到的性能選用合適規(guī)格性能的MOV，檢測公司對于測試樣品需要適當(dāng)保留下來樣測試的MOV的尺寸信息以便日后保證大貨的一致性避免來樣和大貨不一致5.1.2 脫扣動作原因分析：客戶選用的脫扣，比如溫保的額定參數(shù)和SPD的參數(shù)不匹

9、配，比如TYPE 3 SPD的Uoc為6KV，選用的溫保的額定電流只有2A（有些甚至用的溫保額定只有1A），這樣沖擊幾次溫保就會斷開解決方法：客戶需要根據(jù)SPD需要達(dá)到的性能參數(shù)選取合適的脫扣，保證脫扣的參數(shù)可以在SPD正常沖擊時耐受，比如常見TYPE 3 SPD，Uoc小于等于6KV情況時，建議選取使用額定電流參數(shù)為5A或者10A的溫保下圖是TYPE 1 SPD和TYPE 2 SPD所用典型外部脫扣保險絲額定和沖擊額定之間的示例5.1.3 線路板Trace擊穿原因分析：線路板的Trace通流量不夠，SPD正常情況是不工作的，但是如果脈沖過電壓產(chǎn)生的話，浪涌抑制性元器件MOV，GDT會瞬間變成

10、低阻抗從而將大電流釋放掉，此刻如果線路板Trace過窄的話，那么瞬間的大電流則會將Trace擊穿樣品圖片比較：左側(cè)是一個SPD電流釋放Trace非常不合理很窄的樣品圖片，右側(cè)則是一個SPD電流釋放Trace較寬比較合理的樣品圖片，廠商還在合理的Trace上額外加了些焊錫更好的保證了通流量解決方法：廠商需要在初始設(shè)計時保證線路板的Trace以及爬漏電距離滿足SPD合理的通流量5.1.4殘壓高于客戶申稱的Up原因分析：除了MOV，GDT選用排布不合理來說，導(dǎo)致Up較高的問題還包括SPD的連接線過細(xì)（因IEC/EN 61643-11對于Type 3 SPD的連接導(dǎo)線的最細(xì)截面積沒有明確說明，在建議客

11、戶用和主回路同樣的導(dǎo)線的勸說無效的情況，我們只能對于來樣測試根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)判定，有些廠商所用的連接線甚至是22AWG（0.32mm2）,一般指示燈回路的連接導(dǎo)線差不多就是22AWG，但是SPD在有過電壓的時候是要釋放大電流的，這不是一個擺設(shè)，不過現(xiàn)在很多產(chǎn)品增加多種功能并不是真的為了達(dá)到性能，而是增加賣點(diǎn)。根據(jù)歐姆定律來說U=IR，殘壓就是釋放電流和電阻（包括壓敏電阻，連接導(dǎo)線以及線路板 Trace所有的阻值），對于越細(xì)的導(dǎo)線來說，其阻值必然較高，也許零點(diǎn)幾歐姆的電阻不高，但是乘以一個2KA左右的釋放電流還低嗎？記得以前測試TYPE 1 SPD和TYPE 2 SPD，比較專業(yè)的浪涌生產(chǎn)廠商對于連接導(dǎo)

12、線以及測試的夾持點(diǎn)都非常關(guān)注和特別要求。樣品圖片：如下就是一個用和指示燈回路一樣的導(dǎo)線連接的一個SPD，其僅僅在L-N之間跨接了一個14D471K的MOV，按說這種情況殘壓不會超過1KV，但是實際測試的殘壓為1.66KV，而客戶標(biāo)志的Up則為2.5KV，對于一個如果懂SPD性能的買家來說，其不會選擇這樣的產(chǎn)品，因為這樣的SPD其實已經(jīng)失去了該有的性能，Uoc 3KV，Up 2.5KV，這和沒有浪涌保護(hù)有多少質(zhì)的區(qū)別5.2 對于模擬失效和短路測試來說，比較容易出現(xiàn)的問題如下5.2.1 外殼測試后明顯損壞，有的殼體炸飛，有的已經(jīng)有明顯的燒焦的洞，測試指可以碰到內(nèi)部帶電體，原因分析：選用預(yù)處理電流不

13、合適，標(biāo)準(zhǔn)要求廠商申稱的預(yù)處理電流為120A之間的任何一個數(shù)值，根據(jù)多次測試經(jīng)驗來看，1A是最容易通過的，20A測試一般樣品會損壞燒毀。對于1 A情況下樣品仍然有如下?lián)p壞情況的可能是MOV性能不夠好恢復(fù)性能差，在1200V的預(yù)處理電壓去除以后，MOV無法恢復(fù)性能已經(jīng)損壞，這時進(jìn)入UREF的短路情況，如果脫扣動作在不靈敏，外殼阻燃性能不好的話，MOV再緊貼著外殼的話，那么殼體炸飛以及燒焦就會產(chǎn)生了。樣品圖片：如下是測試后外殼明顯損壞的樣品解決方法：選用性能較好的MOV，選用合理的預(yù)處理電流，保證MOV和外殼之間有合理的距離，建議最好能保證有3毫米左右的距離5.2.1測試結(jié)束后外觀完好，但是拆開看

14、內(nèi)部， 脫扣沒有及時動作，而是線路板的Trace炸飛導(dǎo)致測試回路斷開原因分析：a. 脫扣引腳過長，這樣線路板Trace已經(jīng)承受大電流的時候，引腳還沒有及時將電力傳到脫扣處，從而導(dǎo)致Trace在脫扣動作前動作，見下圖（反過來說，引腳像如下這樣彎一道從而里PCB較遠(yuǎn)的話，從生廠工藝上來說比較好控制，因為過錫爐的時候，溫保不會動作，凡事都是雙刃劍，過錫爐不動作，那么在大電流來的時候也不會動作呀。對于溫保引腳靠PCB較近的情況，雖然感溫靈敏，但是過錫爐時溫保容易動作，這時候可能需要提高工藝或者手工保證等）b. PCB板的材料不好，一般環(huán)氧板材料比較好，那種紙板材料就不太好，容易失敗c. 線路板的Tra

15、ce通流量不好，比如Trace太窄或者太薄等，見下圖d. 線路板設(shè)計不科學(xué)，比如如下，L-PE的浪涌回路從線路板上幾乎繞走了一圈，這個偏離了浪涌設(shè)計要求，放電路徑盡可能短，通流量盡可能大的原則，從測試結(jié)果來看也是，因為過長的放電路徑，大電流在線路板上繞走一圈，測試后，脫扣還沒有及時動作的情況，這一圈放電回路的Trace已經(jīng)炸的面目全非了 e. 脫扣的電流過大，比如用的脫扣和主回路一樣達(dá)到16A左右，這樣其跳斷的時間會比常用的3A,5A,10A的脫扣時間要長解決方法：元器件安裝方式合理，選用恰當(dāng)，線路板布局合理5.3 對于故障電壓測試來說，比較容易出現(xiàn)的問題如下5.3.1. 低壓故障電壓測試8.

16、3.8.1的用戶端問題的耐受測試不耐受，SPD損壞，脫扣動作原因分析：對于常見TN，TN，IT配電系統(tǒng)來說，對于L-N模式，要求用戶端問題的情況，能夠耐受的LV TOV電壓為1.32Uref=336.6Vac，等同于475.95Vdc，對于有些客戶，其為了獲得較好的Up數(shù)值，盡可能在L-N之間跨接一個參數(shù)較小的MOV，比如14D391K（相當(dāng)在1mA情況下MOV兩端的電壓為390Vdc），這樣故障電壓數(shù)值475.95Vdc和390Vdc之間的比例差不多是1.22倍，一般MOV在兩端施加的電壓超過壓敏電壓的1.1倍或者更高的情況，容易呈現(xiàn)出短路狀態(tài)，這樣脫扣就會動作解決方法：在L-N之間跨接合理

17、參數(shù)的MOV，比如14D561K，有些客戶為了更保險，希望缺零情況也能耐受，其直接將L-N之間跨接的MOV參數(shù)變成14D681K（相當(dāng)在1mA情況下MOV兩端的電壓為680Vdc），而測試的殘壓一般也不會超過2KV六：結(jié)束語本文探討并分析了IEC 61643-11:2011,EN 61643-11:2012的標(biāo)準(zhǔn)測試條款。同時分析了新舊標(biāo)準(zhǔn)版本差異以及認(rèn)證測試過程中需要注意的事項。本文在產(chǎn)品認(rèn)證和工廠開發(fā)產(chǎn)品過程中，給認(rèn)證同行以及客戶提供了相關(guān)建議和參考。參考文獻(xiàn)：IEC 61643-11：2011，EN 61643-11：2012: 低壓浪涌保護(hù)器 (Low Voltage Surge Protective Devices): 部分11：用于連接到低壓配電系統(tǒng)的浪涌保護(hù)器的要求以及測試方法 (Part 11: Surge protectiv