电子产品的雷击浪涌防护标准及测试（IEC61000-4-5）.docx

电子产品的雷击浪涌防护标准及测试（IEC61000-4-5）1引言经过长期对雷击的三种主要形式：直雷击、传导雷和感应雷等深入研究，人们建立了雷电感应和高压反击的理论，弄清了高压雷电波在金属导线上的传输规律。在此基础上，人们发明了间隙串联熔断器的避雷器、无间隙氧化锌避雷器、瞬态过电压浪涌抑制器（TVS）。这些技术在电力和其他金属传输线上的综合应用，有效地防止了传导雷击对人和环境的灾害性破坏。2（雷击）浪涌的机理及综合防护虽然我们已经对直击雷和传导雷的灾害性破坏已经有较好的防护措施，但间接雷（如云层内、云层间的雷击，或临近物体遭到的雷击）仍然可以在户外架空线上感应出浪涌电压和电流。此外，在电站或开关站中，大型开关切换瞬间，也会在供电线路上感应出大的浪涌电压和电流。这两种浪涌的共同特点是能量特别大（用能量作比较，静电放电为皮焦耳级，快速脉冲群为毫焦耳级，雷击浪涌则为几百焦耳级，是前两种干扰能量的几百万倍），但波形较缓（微秒级，而静电与快速脉冲群是纳秒级，甚至是亚纳秒级），重复频率低。电磁兼容领域所指的浪涌一般来源于开关瞬态和雷击瞬态。2.1开关瞬态系统开关瞬态与以下内容有关：主电源系统切换骚扰，例如电容器组的切换；配电系统内在仪器附近的轻微开关动作或者负荷变化；与开关装置有关的谐振电路，如晶闸管；各种系统故障，例如设备组接地系统的短路和电弧故障。2.2雷击瞬态雷电产生浪涌（冲击）电压的主要来源如下：直接雷击于外部电路（户外），注入的大电流流过接地电阻或外部电路阻抗而产生浪涌电压；在建筑物内，外导体上产生感应电压和电流的间接雷击；附近直接对地放电的雷电入地电流耦合到设备组接地系统的公共接地路径。若有雷击保护装置，当保护装置动作时，电压和电流可能发生迅速变化，并耦合到内部电路，依然会产生瞬态冲击。因此，电子设备的浪涌（冲击）防护已经成为电子产品设计者必须面对并解决的问题。相关的浪涌防护标准及其测试为电子产品的浪涌（冲击）防护设计的符合性判定提供了依据和手段。2.3（雷击）浪涌的综合防护为了有效保证人员、环境和设备免遭（雷击）浪涌的危害，需要一套系统全面的综合性防护体系。在进行防护系统设计时，应根据雷电损害发生几率和保护对象对雷电的敏感程度划分保护区域，并确定出相应的雷电防护等级和相应的防护措施，构成一个立体纵深（雷击）浪涌防护体系。针对各分区的特点，采取的防护措施有：（1） 在建筑物或系统外部高处利用雷电接闪器（避雷针、避雷带等）及其系统防止直击雷的侵害。（2） 在进入建筑或系统传输导体上安装泻流装置，分流雷电能量，防止传导雷击。（3） 采用对建筑或系统设备接地的等电位连接的方法防止直击雷通过接地反击。（4） 在建筑或设备内部采用多层次的电磁屏蔽来降低或限制感应雷击过电压的产生。这些屏蔽包括建筑物屏蔽、电子系统设备机房内屏蔽、设备外壳屏蔽和信号管线屏蔽等。（5） 在外部电源或信号进入建筑或系统的传输通道采用过电压/过流保护器防止其危害保护对象，即在电源回路、信号接口等回路安装过电压保护器（如过电压限制器或浪涌吸收器等），经限制器将已经产生的过电压钳位于限制值以下，保证系统设备或元器件免于异常动作或损坏。过电压保护器的设置或选择应按其保护系统的重要级别或系统回路接口方式全面、系统地统筹考虑。各部分具体的实施和安装都有相应的标准要求，只要有以上各个防护措施根据其分区和位置的特点满足相应的防护标准要求既可构成一个完整的现代雷电防护体系，可以有效保证人员、环境和设备免遭（雷击）浪涌的危害。3电子产品的浪涌（冲击）抗扰度标准及测试3.1常用的防雷标准及其适用范围3.1.1建筑设计的防雷标准a）GB50057-94（2000修订版）建筑物防雷设计规范对一般建筑物的防雷设计要求进行规定，使建筑物能因地制宜的采用合适防雷措施，防止或减少雷击建筑物所发生的人身伤亡和财产损失。b）GB50174-93计算机房防雷设计规范适用于陆地上新建、改建和扩建的主机房建筑面积大于或等于140的电子计算机机房的设计。而本规范不适用于工业控制用计算机机房和微型计算机机房。c）IEC1312雷电电磁脉冲的防护3.1.2建筑接地、安装的防雷标准a）YD5068-98移动通信基站防雷与接地设计规范本规范适用于新建移动通信基站的防雷与接地设计，对于改、扩建移动通信基站的防雷与接地设计，已建基站的防雷与接地技术的改造亦可参照执行。b）YDJ26-89通信局（站）接地设计暂行技术规定（综合楼部分）本标准为建筑物内或建筑物顶部信息系统的雷电防护系统的设计、安装、检查、维护、评估进行了规定。c）YD2011-93微波站防雷与接地设计规范d）VDE0185雷电保护系统的安装指引3.1.3防雷器件的技术标准a）GA173-1998计算机信息系统防雷保安器计算机信息系统加装的防雷保安器，应符合本标准的技术要求、实验方法、检验规则、标志、包装、运输及储存要求，并能有效防止感应雷电破坏该系统受保护设备。b）IEC61643SPD电源防雷器国际标准，适用于交直流电源电路和设备上的电源防雷器，额定电压在1000VAC或1500VDC。电源防雷器按照该标准分级分类测试和应用。c）IEC61644SPD通讯网络防雷器国际标准，适用于通信信号网络系统的防雷器，这类防雷器内置过压过流元器件，额定电压在1500VAC/DC。电源防雷器按照该标准分级分类测试应用。d）VDE0675过电压保护器德国标准，标准适用于过电压放电保护器（电源防雷器），适用于额定交直流电压在100V至1000V范围内的供电配电系统使用，标准对防雷器做出分级分类要求。3.1.4产品防雷的技术标准a）GB17626.5-1999电磁兼容试验和测量技术 浪涌（冲击）抗扰度试验b）YD/T993-1998电信终端设备防雷技术要求及试验方法c）GB3482-1983电子设备雷击试验方法d）GB3483-1983电子设备雷击试验导则下面对这四个产品防雷击（浪涌）标准进行简要介绍。3.2 GB17626.5-1999标准测试要求不同的电子、电气产品标准对浪涌（冲击）抗扰度试验的要求是不同的，但这些标准关于浪涌（冲击）抗扰度试验大多都直接或间接引用GB/T17626.5-1999（idtIEC61000-4-5：1995）：电磁兼容 试验和测量技术 浪涌（冲击）抗扰度试验这一国家电磁兼容基础标准，并按其中的试验方法进行试验。3.2.1适用范围适用于电气和电子设备在规定的工作状态下工作时，对由开关或雷电作用所产生的有一定危害电平的浪涌（冲击）电压的反应。该标准不对绝缘物耐高压的能力进行试验。该标准不考虑直击雷。该标准为基础标准，规定了浪涌（冲击）测试的试验等级分类和试验方法，但没有规定具体的试验等级选择和合格性判定准则，一般不直接适用于具体产品浪涌（冲击）抗扰度测试和符合性判定。该标准一般为具体的产品或产品簇标准所引用作为其试验方法，具体的试验等级选择和合格性判定准则在相应的标准中加以规定。3.2.2试验发生器信号发生器的特性应尽可能地模拟开关瞬态和雷击瞬态现象：如果干扰源与受试设备的端口在同一线路中，例如在电源网络中（直接耦合），那么信号发生器在受试设备的端口能够模拟一个低阻抗源；如果干扰源与受试设备的端口不在同一线路中（间接耦合），那么信号发生器能够模拟一个高阻抗源。对于不同场合使用的产品及产品的不同端口，由于相应的浪涌（冲击）瞬态波形，各不相同，因此对应的模拟信号发生器的参数也各不相同。例如：对交直流电源端口和短距离信号电路/线路端口，通常采用的是1.2/50s（8/20s）组合波信号发生器（发生器输出端开路时，形成电压浪涌波；发生器输出端短路时，形成电流浪涌波），其波形图见图2-1所示；对电信端口和长距离信号电路/线路端口，通常采用的是10/700s的符合CCITT要求的是试验信号发生器。3.2.3试验等级及信号发生器试验等级应根据安装情况来选择。对较高等级测试时，试验应满足该表所列的较低等级。对具体的产品来说，试验等级选择往往已在相应的产品或产品族标准中加以规定。表2-1试验等级等级开路试验电压（10%），KV10.521.032.044.0X特定注：X是一个开放等级，可以在产品要求中加以规定3.2.4耦合方式对交/直流电源线建议采用配套的耦合/去耦网络（仅适用于组合波信号发生器）。对交/直流电源线可采用电容耦合：在接入电源去耦网络的同时，还可以通过电容耦合将试验电压按线-线或线-地方式加入。对非屏蔽不平衡I/O线路，当电容耦合对该线上的通信功能没有影响时，推荐使用电容耦合。对非屏蔽平衡（通信）线，推荐用气体放电管耦合。3.2.5源阻抗确定信号发生源阻抗的选择取决于：电线、导体、线路的种类（交流电源、直流电源、互连线等等）；电缆、线路的长度；试验电压的施加（线-线或线-地）。2阻抗表示低压电网的源阻抗；12阻抗表示低压电网对地的源阻抗；42阻抗表示其他所有线路对地的源阻抗。3.2.6试验实施电源、信号和其他功能电量应在其额定的范围内使用，并处于正常的工作状态。根据要进行试验的EUT的端口类型选择相应的试验实试验波形发生器和耦合单元及相应的信号源内阻。使受试设备处于典型工作条件下，根据受试设备端口及其组合，依次对各端口施加冲击电压。对电源端子进行浪涌测试时，应在交流电压波形的正、负峰值和过零点分别施加试验电压。对电源线和信号线应分别在不同组合的共模和差模状态下施加脉冲冲击。每种组合状态至少进行5次脉冲冲击。每种组合应针对不同脉冲极性进行测试，两次脉冲间隔时间不少于1min。若需满足较高等级的测试要求，也应同时进行较低等级的测试，只有两者同时满足，我们才认为测试通过。不同产品或产品族标准对试验的实施可能根据产品的特点有特定的规定。3.3 YD/T993-1998标准测试要求简述YD/T993-1998：电信终端设备防雷技术要求及试验方法为产品簇标准，不但规定了试验方法，而且也同时规定了试验等级和判定准则，适用于对通过金属导线直接接至平衡线对的电话机、传真机、调制解调器以及多媒体用户终端等电信终端设备防雷击测试和标准符合性评价。为目前电信终端设备强制性产品认证（3C认证）的一个必测标准。3.3.1测试项目a） 横向试验：冲击电压施加在被测设备（EUT）的信号线或电源线的输入（出）端子之间的试验.b） 纵向试验：冲击电压施加在EUT信号线或电源线的输入（出）端与地之间的试验。c） 与通信网的电气隔离试验：冲击电压施加在EUT的通信外线端子与下述每一零部件或电路之间：EUT上需要抓握或接触不接地的不导电或导电零部件；试验指（GB4943标准中图19规定）可触及的零部件和电路（除符合电信电路附件要求的连接器接点）；连接其他设备的电路（不包括信号线）。3.3.2试验样品的预处理EUT应是按相关标准检验合格的产品。未加冲击波的端子应处于正常的负载阻抗状态。具有远供电源的EUT，其远供电源应视为试验样品的组成部分，冲击电压通过放电管施加。接通EUT的电源，并使试验样品处在额定的工作电压和电流状态下，预热半小时。3.3.3试验电压和试验波形a）用于非暴露环境（无一次保护），冲击电压幅值为：横向试验：1.5kV3%纵向试验：1.0kV3%b）用于暴露环境（加一次保护），冲击电压幅值为：横向试验：4kV3%纵向试验：4kV3%c）与通信网的电气隔离试验，其冲击电压值为：2.5kV（常接触的不接地零部件）1.5kV（试验指可触及的零部件及连接其他设备的电路）电源端口试验的浪涌波形为1.2/50s（8/20s）组合波：信号端口及与通信网的电气隔离试验的浪涌波形为10/700s的符合CCITT要求的浪涌波。对电源线路试验时，横向试验浪涌发生器的内阻为2，纵向试验浪涌发生器的内阻为12；对信号端口及与通信网的电气隔离试验时，浪涌发生器的等效源阻抗为42。3.3.4横向和纵向试验方法EUT在“挂机”状态（或非连接状态）和“摘机”状态（或连接状态）分别进行；横向试验和纵向试验分别进行；电源端口和信号端口分别进行；试验电压和波形见上节；每种组合下正负极性冲击测试各5次；相邻两次冲击间隔不小于1min。3.3.5与通信网的电气隔离试验方法将EUT的电源端与供电电源断开；将连接通信网的外线互连并与通信网断开；将连接其他设备的电路连接在一起。将送受话器、键盘之类抓握的零部件包裹一层导电金属箔，并在金属箔与外线端子之间施加2.5kV试验电压；在试验指能触及的零部件与EUT的外线端子之间施加1.5kV试验电压；将EUT的外线端子与EUT连接其他设备的电路之间施加1.5kV试验电压。3.3.6雷击防护要求绝缘：经雷击冲击波试验后，采用500V直流电压绝缘，电阻应不小于2M。承受能力：EUT在承受雷击试验期间不要求其正常运行；EUT在承受雷击试验后，各项功能应符合相关标准要求。例如：电话机应在全部试验（包括横向试验和纵向试验）完成并经不少于一小时的静态恢复后，检查被测样品的发送、接收和铃声及发号特性应正常。3.4 GB3482-83 GB3483-83标准测试要求简述GB3483-83电子设备雷击试验导则和GB3482-83电子设备雷击试验方法为一套相互配合使用的标准。标准说明雷击电子设备的机理、雷电冲击波的特性和雷击试验原理等。规定试验波形、冲击波发生电路、试验程序等试验方法。该标准为基础标准，不可直接用于电子产品的雷击测试。可以作为电子产品标准中雷击测试引用和选择依据。在制定电子设备雷击试验方法的专业标准时，应符合该标准有关条款的要求。3.4.1适用范围标准适用于与外线连接的含有固体化元件的电子设备雷击测试，以检验有关电子设备抵抗雷击的能力。不适用于雷电直击设备和雷电引起的电磁干扰的检验。3.4.2相关说明a） 横向试验和纵向试验横向试验：冲击电压施加在电子设备输入（出）端子之间的试验。纵向试验：冲击电压施加在电子设备输入（出）端子之间的试验。对某些输入、输出端均连有外线的设备，指冲击电压施加在其输入和输出端之间的试验。b） 波形的选取原则：雷击试验的目的，是通过某些方法在试验室内再现电子设备运行时受到的雷击情况，以便改善防雷措施。使设备获得满意的运行可靠性。根据可能袭入设备的雷电冲击途径、性质和极性选择合适的试验参数。3.4.3试验波形选择a）与明线相联接的电子设备的试验波形：当外线为架空明线或被复线时，推荐采用4/300s单极性冲击电压全波；用于通信设备及具有类似工作方式的电子设备，冲击波为频率为几千赫至几十千赫的衰减振荡冲击波。b）与电缆相联接的电子设备的试验波形：当外线为对称电缆、同轴电缆时，推荐采用10/700s冲击波。c）与钢轨或类似传导体相联接的电子设备的试验波形；建议采用10/200s冲击波。d）直击雷反击试验波形：建议采用1.2/50s冲击波。3.4.4试验准备试验样品与各种临近物的距离以及距地面的高度等，应大于试验可能的闪络路径的1.5倍。试验电路接线及测量引线应尽量短。对具有多个输出/输入端子的试验样品，在测试的时候，除施加冲击的端子外，其余均应按正常工作状态负载阻抗终接。带气体放电管保护电路产品测试时，除该产品设计运行于见光者外，试验一律应选择遮光状态进行。使试验样品处在额定的工作电压和电流状态下预热半小时。根据试验样品的有关技术要求，测试各项技术指标。3.4.5冲击波施加方式a）横向试验：具有单端输入（出）的试验样品，冲击电压施加在输入（出）线间。这种方式也适用于试验样品同时具有输入和输出端，而其中一端加以端接的试验样品的试验。对于具有远供电源的电子设备，其远供电源应视为试验样品的组成部分，冲击电压通过放电管施加。b）纵向试验：具有单端输入（出）端的试验样品，冲击电压分别施加在输入（出）线和外壳地（或大地）之间。这种接线也适用于试验样品同时具有输入和输出端，而其中一端加以端接的试验样品的试验。对于具有远供电源的电子设备，其远供电源应视为试验样品的组成部分，冲击电压通过放电管施加。c）对同时具有输入和输出端的试验样品：除进行上述有关试验外，应将输入输出端均加以端接，并在输入和输出之间通过放电管施加纵向冲击电压。3.4.6试验过程试验时，一般应从低压到高压逐步进行。先做带有保护