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浪涌测试基础知识,做为工程师的你必修课!
发布者:深圳市踏歌科技有限公司  发布时间:2017-01-03

  雷击发生时,强电流及其产生的电磁脉冲能通过传导,感应,耦合等方式在电子设备产生过电压,过电压沿电源线或信号线传输时,就形成雷电浪涌。
  通常,雷电会对暴露在外的电源线上感应出较高的电压,这种电压不仅会直接传到设备,其产生的浪涌电流在电源线路传导时,电磁感应的浪涌会耦合到周围的信号线。类似此类浪涌对电子产品会造成极大损害,因此要求产品具备一定浪涌抗扰能力。

  一、雷电瞬态浪涌的三种类型
  1.直接雷击,雷击于外部(户外)电网,注入的大电流流过接地电阻或者外部电路阻抗而产生电压,破还力极强,目前还没有设备能够对直接雷进行防护。
  2.传导雷击:由远处的架空线传导而来,由于接于电力网的设备对过电压有不同的抑制能力,因此传导过电压能量随线路的延长而减弱。
  3.感应雷击,云层之间或者云层中的雷击或击于附件物体的雷击等产生的电磁场,作用于导体,感应很高的过电压,这类过电压具有很陡的前沿并快速衰减。
  其中,感应雷有两种浪涌感应方式:
  静电感应产生浪涌:雷电带有大量负电荷的雷云所产生的电场,会在导线上感应出被电场束缚的正电荷。当雷云放电时,云层中的电荷瞬间大量减小或消失,在线路上被束缚的正电荷瞬间失去束缚,在电势能作用下,在线路上产生浪涌冲击。
  电磁感应产生浪涌:闪电电流在周围形成磁场,这种磁场随时间变化,在周围的导线上激发感应电动势,雷击发生在供电线路附近或避雷针上,会产生此类情况。
  另外,还有一种比较少见的雷击浪涌机理,地线电位反弹,业内常称为“反弹雷”,当设备安装了浪涌保护器件时,设备的某根电缆出现浪涌电压,浪涌保护器触发,将浪涌能量旁路到大地,这时,由于大电流流过设备接地线,该设备的地线电位突然升高。此时与这台设备相连的其他设备,地电位还是零,两台设备之间产生了很高的共模电压,这种共模电压可能损坏设备接口。

  二、雷电感应的影响因素
  雷电感应是指导线上接收到的能量,其影响因素如下:
  1.雷云电荷量大小,直接影响电流大小,从而影响产生电磁场强度。
  2.雷电流的陡度,在波尾相同的情况下,陡度越大,谐波越丰富,能量越高产生的过电压越高。
  3.雷电流的频率,振幅随频率增加而减小,雷电流主要集中在低频部分。
  4.不同的导线的长度与过电压有直接关系,随着导线长度的增加,过电压峰值增加,但超过一定长度时,增幅会越来越小。
  5.导线离云端的高度与过电压有直接关系,高度增加,感应过电压幅值迅速增加,这是因为离地高,导线和地构成的回路面积大,能够耦合更多的电磁场能量。
  6.当导线两端接不同电阻时对导线感应过电压波形的大小产生影响,当始端为匹配电阻,末端感应电压值随着末端电阻增大而增大。
  7.导线周围空间的电磁环境影响,屏蔽保护越好,导线感应过电压越小。

  三、浪涌测试标准
  浪涌试验是模拟受试设备的附件发生雷电时,在受试设备的电源线和信号线感应的瞬态现象。这类能量通常很大,浪涌试验所依据的国际标准是IEC61000-4-5,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》。
  该标准适用于电子设备在常规的工作状态下,对感应雷击,传导雷击产生的浪涌电压的测试。该标准不对绝缘耐高压的能力进行试验,因此不考虑直接雷。
  其中,对浪涌信号发生器的直接输出电压/电流波形做了详细的说明,对应连接到对称通信线的端口,应该使用10/700μs组合波发生器。对于其他情况,特别是连接到电源线和短距离信号线的端口,应该使用1.2/50μs组合波发生器。通信系统一般还使用其他标准,如美国使用Telcordia GR-1089(规定的开路电压波形2/10μs,短路电流波形为10/1000μs)。

  四、测试等级以及选择
  等级试验范围如表1所示

浪涌测试基础知识 

  表1. 试验等级“表格来自于IEC61000-4-5”。

  等级应用取决于环境,即遭受浪涌可能性的环境以及安装条件,主要分类如下:
  等级一:较好的保护环境,比如工厂或电站的控制室。
  等级二:有一定保护的环境,比如无强干扰的工厂。
  等级三:普通的电磁骚扰环境,对设备没有规定特殊安装要求,比如普通环境下的电缆,工业性场所。
  等级四:受强干扰的环境,如民用架空线,未加保护的高压变电所。
  等级X: 由用户和制造商协商。

  五、浪涌发生器
  浪涌发生器的电路如图1所示

浪涌测试基础知识

  图1. 组合波发生器“图片来自于IEC61000-4-5”

  组合波发生器的内阻为2Ω。不同试验,需要的能量不同,这是通过外接电阻来调节。  具体对于不同位置来说,电源线之间的差模注入能量最大,外接电阻为零,此时内阻为2Ω。电源线之间的线地之间共模浪涌电压是通过10Ω的外接电阻注入。对于信号线的试验,注入的浪涌通过一个40Ω的串联电阻注入。不同内阻时,电压与电流的关系如表2。

浪涌测试基础知识

  表2. 不同内阻时电压与电流的关系

  六、两种主要的浪涌试验波形
  根据测试标准的规定,两类主要的波形分别为1.2/50μs(8/20μs)组合波信号和10/700μs(5/320μs)组合波信号。
  1. 1.2/50μs(8/20μs)组合波:1.2/50μs的电压浪涌波形(开路状态)和8/20μs的电流浪涌波形(短路状态)

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  图2. 开路电压波形(1.2/50μs)“图片来自于IEC61000-4-5”

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  图3. 短路电流波形(8/20μs)“图片来自于IEC61000-4-5”

  2.10/700μs(5/320μs)组合波:10/700μs的电压浪涌波形(开路状态)和5/320μs的电流浪涌波形(短路状态)

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  图4. 开路电压波形(10/700μs)“图片来自于IEC61000-4-5”

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  图5. 短路电流波形(5/320μs)“图片来自于IEC61000-4-5”

  两种浪涌信号的适用范围:
  1.对通讯网和长距离信号电路端口,推荐采用10/700μs冲击波。常见电子设备如RJ45,RS232, XDSL, RS485,安防摄像头等
  2.对交直流电源端口和短距离信号电路端口,推荐采用1.2/50μs冲击波。常见电子设备如LED照明设备,基站等

  七、常见的设备端口抗浪涌能力测试
  1.交流电源口过电压耐受水平
  等级1:差模施加2kV电压正负各5次无损坏;共模4kV电压各5次无损坏。
  测试波形:1.2/50μs(8/20μs)组合波
  测试方式:按照IEC61000-4-5。
  2.直流电源口过电压耐受水平
  等级1:差模施加1kV电压正负各5次无损坏;共模2kV电压各5次无损坏。
  等级2:差模施加0.5kV电压正负各5次无损坏;共模1kV电压各5次无损坏。
  测试波形:1.2/50μs(8/20μs)组合波
  测试方式:按照IEC61000-4-5,等级2为基本要求,若设备未配置防雷器情况,端口耐受等级要求应达到等级1。
  3.信号口过电压耐受水平(建筑内信号线)
  等级1:差模施加2kV电压正负各5次无损坏;共模4kV电压各5次无损坏。
  等级2:差模施加1kV电压正负各5次无损坏;共模2kV电压各5次无损坏。
  等级3:差模施加0.5kV电压正负各5次无损坏;共模1kV电压各5次无损坏。
  测试波形:1.2/50μs(8/20μs)组合波。
  测试方式:按照IEC61000-4-5,等级3为基本要求,若走线超过10m,不超过30m,未加防雷器情况,端口耐受等级要求应达到等级1。
  4.信号口过电压耐受水平(建筑外信号线)。
  等级1:差模施加4kV电压正负各5次无损坏;共模4kV电压各5次无损坏。
  等级2:差模施加1kV电压正负各5次无损坏;共模2kV电压各5次无损坏。
  测试波形:1.2/50μs(8/20μs)组合波。
  测试方式:按照IEC61000-4-5,建筑外走线的信号电缆,进入室内应先经过配线架的一级保护。测试端口的要求是:对设备端口自身测试,应满足等级2;在信号端口前连接配线架(带一级保护单元),在配线架前测试,需满足等级1。

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