浪涌抗扰度Surge测试.docx

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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

   浪涌抗扰度试验所依据的国际标准是IEC61000-4-5:

2005，对应国家标准是GB/T17626.2:

200X《电磁兼容试验和测量技术浪涌〔冲击〕抗扰度试验》。

浪涌〔冲击〕抗扰度试验就是模拟

带来的干扰影响，但需要指出的是，考核设备电磁兼容性能的浪涌抗扰度试验不同于考核设备高压绝缘能力的耐压试验，前者仅仅是模拟间接雷击的影响〔直接的雷击设备通常都无法承受〕。

1.2浪涌〔冲击〕抗扰度试验目的

  本标准的目的是建立一个共同的基准，以评价电气和电子设备在遭受浪涌（冲击）时的性能。

本标准规定了一个一致的试验方法，以评定设备或系统对规定现象的抗扰度。

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，但并不针对特定的设备或系统，具有根底EMC电磁兼容出版物的地位。

2.1浪涌〔冲击〕 

  沿线路传送的电流电压或功率的瞬态波，其特性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短路电流波形的信号发生器。

2.3耦合网络 

  将能量从一个电路传送到另一个电路的电路。

2.4去耦网络

  用于防止施加到上的浪涌冲击影响其他不作试验的装置设备或系统的电路。

2.5〔浪涌发生器的〕等效输出阻抗 

  开路电压峰值与短路电流峰值的比值。

2.6对称线 

  差模到共模转换损耗大于20dB的平衡对线。

  优先选择的试验等级X围如表1所示。

  表1　试验等级

等    级

开路试验电压〔±10%〕

kV

1

2

3

4

´1）

特殊

1） “´〞可以是高于、低于或在其它等级之间的等级。

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:

保护良好的电气环境，常常在一间专用房间内。

  所有引入电缆都有过电压保护〔第一级和第二级〕。

各电子设备单元由设计良好的接地系统相互连接，并且该接地系统根本不会受到电力设备或雷电的影响

电子设备有专用电源〔见表A1〕

  浪涌电压不能超过25V。

  1类：

有局部保护的电气环境

  所有引入室内的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的影响。

电子设备有与其他设备完全隔离的电源。

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的电气环境。

设备组通过单独的地线接至电力设备的接地系统上，该接地系统几乎都会遇到由设备组本身或雷电产生的干扰电压。

电子设备的电源主要靠专门的变压器来与其他线路隔离。

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：

电源电缆和信号电缆平行敷设的电气环境。

设备组通过电力设备的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的干扰电压。

在电力设施内，由接地故障、开关操作和雷击而引起的电流会在接地系统中产生幅值较高的干扰电压。

受保护的电子设备和灵敏度较差的电气设备被接到同一电源网络。

互连电缆可以有一局部在户外但紧靠接地网。

设备组中有未被抑制的感性负载，并且通常对不同的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和电气线路的电气环境设备组接到电力设备

的接地系统，该接地系统容易遭受由设备组本身或雷电产生的干扰电压。

在电力设施内，由接地故障、开关操作和雷电产生的几千安级电流在接地系统中会产生幅值较高的干扰电压。

电子设备和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。

这种环境下的一种特殊情况是电子设备接到人口稠密区的通信网上。

这时在电子设备以外，没有系统性结构的接地网，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和架空电力线路连接的电气环境。

所有这些电缆和线路都有过电压〔第一级〕保护。

在电子设备以外，没有大X围的接地系统〔暴露的装置〕。

由接地故障〔电流达10Ka〕和雷电〔电流达100Ka〕引起的干扰电压是非常高的。

试验等级4包括了这一类的要求。

X类:

在产品技术要求中规定的特殊环境。

浪涌〔信号发生器〕与安装类别的关系如下：

1~4类：

1.2/50μs（80/20μs）

第5类：

对电源线端口和短距离信号电路/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的一样。

  规定了两种类型的组合波信号发生器，并根据受试端口的类型，有各自特殊的应用。

对于连接到对称通信线的端口，应使用10/700μs的组合波信号发生器。

对于其他情况，特别是连接到电源线和短距离信号互连线的端口，应使用1.2/50μs的组合波信号发生器。

  施加到EUT上的波形应满足标准的规定。

波形的规定采用开路电压和短路电流，并应在未连接的情况下测量。

对于交流或直流供电的产品，浪涌应施加到交流或直流电源线上，输出必须满足表6和表7的规定。

对于浪涌由信号发生器的输出端直接输出的情况，其输出波形应满足表2的规定。

当连接到EUT时，不要求信号源的输出波形和耦合/去耦网络的输出波形同时满足要求。

但在无EUT连接的情况下，波形的规定应该被满足。

信号发生器应产生的浪涌波形：

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组合波信号发生器的电路原理图。

选择不同元件RS1、RS2、Rm、Lr和Cc的值，以使信号发生器产生1.2/50μs的电压浪涌〔开路状态下〕和8/20μs的电流浪涌〔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　组合波信号发生器的电路原理图〔1.2/50μs—8/20μs〕

   为方便起见，定义浪涌信号发生器的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。

信号发生器的等效输出阻抗为2Ω。

信号发生器的特征与性能

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~4.0kVX围内能输出；

浪涌电压波形：

见图2和表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和表3〕；

浪涌电流波形：

见图3和表2；

短路输出电流容差：

见表3；

等效输出阻抗：

2Ω±10%；

短路电流峰值和开路电压峰值的关系见表3。

应该使用输出端浮地的信号发生器。

表2　波形参数的定义1.2/50μs—8/20μs

定义

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和8/20μs波形通常按GB/T 16927.1规定，如图2和图3所示。

其他的IEC推荐标准按IEC 60469-1规定波形，如表2所示。

本标准两种规定都是有效的，但所指的是同一信号发生器。

表3　开路电压峰值和短路电流峰值的关系

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/去耦网络输出端的开路电压波形可能存在较大的下冲，根本上同图2所示的曲线。

图2　未连接CDN的信号发生器输出端的开路电压波形〔1.2/50μs〕〔按GB/T 16927.1的波形规定〕

波前时间：

T1=1.25×T=8μs±20%

半峰值时间：

T2=20μs±20%

注：

30%的下冲规定只适用于信号发生器的输出端。

在耦合/去耦网络的输出端，没有下冲或过冲的限制。

图3　未连接CDN的信号发生器输出端的短路电流波形〔8/20μs〕〔按GB/T 16927.1的波形规定〕

4.2 10/700μs的组合波信号发生器

信号发生器应产生的浪涌波形：

开路电压波前时间10μs；开路电压半峰值时间700μs。

图4为10/700μs组合波信号发生器的电路原理图。

选择不同的元件值，以使信号发生器产生10/700μs的浪涌。

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　组合波信号发生器的电路原理图〔10/700µs-5/320µs〕〔根据ITUK系列标准〕

信号发生器的特征与性能

极性：

正/负；

重复率：

每分钟至少一次；

浪涌电压波形：

见图5和表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和表5〕；

短路输出电流容差：

见表5；

等效输出阻抗：

40Ω±10%〔仅对信号发生器的输出端〕。

注：

等效输出阻抗通常包括内部电阻Rm1〔15Ω〕和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%半峰值时间：

T2=700μs±20%图5　开路电压波形〔10/700μs〕〔按GB/T 16927.1的波形规定〕

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，这个波形是在图4开关S1打开情况下测量的。

图6　短路电流波形〔5/320μs〕〔按GB/T 16927.1的波形规定〕

表4　波形参数的定义 10/700μs—5/320μs

定义

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%

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注：

在现行IEC和ITU-T出版物中，10/700μs波形通常按GB/T 16927.1规定，如图5和图6所示。

其他的IEC推荐标准按IEC 60469-1规定波形，如表4所示。

本标准两种规定都是有效的，但所指的是同一信号发生器。

表5　开路电压峰值和短路电流峰值的关系

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。

短路电流峰值和开路电压峰值的关系见表5

4.3 耦合/去耦网络

每个耦合/去耦网络〔CDN〕都包括去耦网络和耦合元件，示例见图7到图15。

图7　交/直流线上电容耦合的试验配置实例；线-线耦合〔见7.2〕

图8 交/直流线上电容耦合的试验配置实例；线-地耦合〔见7.2〕

图9 交流线〔三相〕上电容耦合的试验配置实例；线L3-线L1耦合〔见7.2〕

图10 交流线〔三相〕上电容耦合的试验配置实例；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不在一样的位置。

3〕 L=20mH，RL为L的电阻局部。

图11 非屏蔽不对称的互连线配置实例；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不在一样的位置。

6〕 L=20mH，RL为L的电阻局部。

图12 非屏蔽不对称的互连线配置实例；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不在一样的位置。

9〕L=20mH，RL为L的电阻局部。

图13非屏蔽不对称的互连线配置实例；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的计算；例如：

n＝4 Rm2＝4x40Ω=160Ω，最大250Ω。

使用XWG（10/700μs信号发生器）时Rm2的计算；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。

L=20mH，图中所示的4个扼流线圈可能全部或仅仅两个有效。

RL的值取决于传输信号允许的衰减。

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是4匝的电流抑制线圈，防止给模拟电路供电时产生饱和。

并且，L2应该有较低的阻抗；例如：

<<1Ω，并接到L2的阻抗也许降低整个阻抗。

注2 RA和RB 的阻抗应尽可能低，以防止形成共振或冲击。

注3 RC和RD是80Ω的绝缘隔离电阻。

注4 由于电感很容易饱和，对于10/700µs的波形建议不使用本耦合去耦网络图15 使用1.2/50µs浪涌波的对称高速通信线的耦合去耦网络的配置实例在交流或直流电源线上，去耦网络提供较高的阻抗以阻止浪涌波形，同时允许交流和直流电供应EUT。

这个阻抗允许电压波形施加到耦合/去耦网络的输出端，并防止浪涌电流返回到交流或直流电源。

采用适当大小的高压电容作为耦合元件，可以使全部持续时间的浪涌耦合到EUT。

用于交流或直流电源线的耦合/去耦网络，应使开路电压波形和短路电流波形满足表6和表7的容差要求。

表6　耦合/去耦网络EUT端口的电压波形规格

开路条件下的浪涌电压参数

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的情况下测量浪涌电压参数。

表7　耦合/去耦网络EUT端口的电流波形规格

短路条件下的浪涌电流参数

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的情况下测量浪涌电流参数。

对于I/O线和通信线，去耦网络的串联阻抗会限制数据传输的有用带宽。

当使用耦合/去耦网络使试验无法进展时，应使用6.3.3条规定的程序。

当线路能够容忍容性负载的影响，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和6.3.2.3〕。

当耦合到互连线时，使用6.3.2规定的耦合装置，可能会造成波形失真。

每个耦合/去耦网络都应满足6.3.1到6.3.3的要求。

应根据下面的流程图选用耦合/去耦网络。

4.3.1用于交/直流电源线的耦合/去耦网络

   电压和电流的波前时间和半峰值时间应分别在开路情况下和短路情况下，在耦合/去耦网络的EUT端口校验。

30%的下冲仅适用于发生器的输出端。

对于耦合/去耦网络的输出端，无下冲或过冲的限制。

信号发生器的输出或其耦合网络应与有足够带宽和电压量程的测量系统连接，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和图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和图10所示。

去耦电感的大小由设备制造商选择，使耦合/去耦网络EUT连接器处的电源电压下降低于额定值的10%，但不超过1.5mH。

    对于额定电流>25A的耦合/去耦网络，为了防止其造成过多的电压下降，去耦元件的值通常须减小。

在这种情况下，开路电压波形的半峰值时间也可能减小，见表6和表7。

    注：

对于额定输入电流大于100A的EUT，浪涌不通过耦合/去耦网络直接施加到未加电的EUT上，是唯一可行的试验方法。

本标准第9条的性能判据只适用于EUT通电的情况，如果EUT在不通电的情况下进展试验，应在试验完毕后开机，用第9条的性能判据d进展判定。

如果EUT〔如独立的控制单元〕由于电源电流要求大于100A而不可能对整个系统进展试验，那么局部的试验也是可以承受的。

    当EUT没有连接时,在去耦网络电源输入端上的剩余浪涌电压不应超过所施加试验电压的15%或耦合/去耦网络额定电压峰值的两倍，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的剩余浪涌电压不应超过最大可施加电压的15%。

上述单相〔相线、中线、保护接地〕系统的特性对三相系统〔三根相线、中线和保护接地〕同样有效。

4.3.2 用于互连线的耦合/去耦网络

    耦合方法应根据电路的功能以与运行状态来进展选择。

产品技术要求中应该对此作出规定。

利用电容耦合所进展的测试可能不会产生和放电管耦合一样的结论。

如果要优先选用一种特殊的耦合方式，如此应该在产品标准中作出规定。

在任何情况下，所采用的耦合方式都应该在测试报告中注明。

如果信号线对称，如此电流补偿电感器就能够在去耦网络中应用。

4.3.2.1 采用电容器的耦合/去耦网络

    在能够维持线路正确运行的情况下，对于非屏蔽不对称的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的例子。

耦合/去耦网络的推荐参数为：

耦合元件  R = 40Ω，C = 0.5 µF；去耦电感   L = 20 mH。

4.3.2.2 采用钳位装置的耦合/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的场合。

该功能问题是由电容接至EUT而引起的〔见图11〕。

一些钳位装置有一个比拟低的寄生电容并且允许与许多型号的I/O连线相连接。

    当如图11所示的电容与一套钳位装置耦合时，该电容可以用如图13所示的一套单独的钳位装置或电路来代替。

该装置的钳位电压应该选择的尽可能小，但是要高于被测线路的最大工作电压。

耦合/去耦网络的推荐参数为：

耦合电阻  R = 40Ω再加上所选钳位装置的阻抗；

去耦电感 L = 20 mH.

钳位装置的EUT输出端的脉冲波形由脉冲幅度和钳位装置本身的特性决定；因此，不可能规定波形的量值和容差。

4.3.2.3 采用雪崩装置的耦合/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的场合。

该功能问题是由电容接至EUT而引起的〔见图11〕。

硅雪崩装置或气体放电管都有一个较低的寄生电容并且允许与更多型号的I/O连线相连接。

然而，典型的气体放电管有一个较高的点火电压，它将严重影响浪涌耦合的波形。

如图12所示为一个采用放电管的耦合/去耦网络的例子。

放电管的工作电压应该选的尽可能小，但是要高于被测线路的工作电压。

    耦合/去耦网络的推荐参数为：

耦合电阻  R = 40 Ω再加上放电管的阻抗〔充有气体的或固态的〕；

去耦电感  L = 20 mH。

雪崩装置的EUT输出端的脉冲波形由脉冲幅度和雪崩装置本身的特性决定；因此，不可能规定波形的量值和容差。

4.3.3 用于对称线的气体放电管耦合/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的任务。

因此，耦合网络的阻抗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的浪涌：

n = 4，Rm2 = 4 x 40Ω，信号发生器的总阻抗值大约为42Ω。

示例2：

信号发生器产生一个10/700µs的浪涌：

n = 4，Rm2 = 4 x 25Ω。

当信号发生器的S1端口闭合时，其阻抗Rm1 （15Ω）的总值约为42Ω，如图4所示。

耦合/去耦网络的推荐参数为：

耦合电阻：

 Rm2加上放电管的阻抗；

去耦电感：

 L = 20 mH。

放电管的EUT输出端的脉冲波形由脉冲幅度和放电管本身的特性决定；因此，不可能规定波形的量值和容差

4.3.4 用于高速通信线路的耦合/去耦网络

    由于物理结构的限制，大局部耦合/去耦网络的处理频段被限制在100kHz。

如果没有适当的耦合/去耦网络用于商用的场合，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的功能和运行条件。

这一点必须在产品规格中规定。

一个针对高速线路的耦合/去耦网络，只要不影响通信，就能够使用。

如图15所示。

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〔规定类型和长度〕；

－ 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〕和按7.6.1所述和图17对屏蔽电缆测试时，需要金属接地参考平板。

只有EUT的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是必须的。

5.2  EUT电源端试验的配置

    1.2/50µs的浪涌经电容耦合网络加到EUT电源端上〔见图7、图8、图9和图10〕。

为防止对同一电源供电的非受试设备产生不利影响，并为浪涌波提供足够的去耦阻抗，以便将规定的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和耦合/去耦网络之间的电源线长度不应超过2m。

本标准规定，只有直接连接到交流和直流电源系统的端口才被认为是电源端口。

对没有接地线的或外部接地端的双重绝缘产品，测试应按接地设备的方法进展，但是不允许添加额外的外部接地连接。

如没有其它接地连接的可能，可以不进展线到地测试。

5.3 非屏蔽不对称互连线试验的配置

    通常，按图10用电容向线路施加浪涌。

耦合去耦网络对受试线路的规定功能状态不应产生影响。

图12和13给出了另一种试验配置〔用气体放电耦合〕供具有较高信号传输频率的线路使用，应根据传输率下的容性负载来选择耦合方法。

本方法降低了EUT上的容性负载，也许更适合高频电路。

如果没有其它规定，EUT和耦合/去耦网