МЭК 61000-4-5

Стандарт на устойчивость к перенапряжению

IEC 61000-4-5 — это международный стандарт Международной электротехнической комиссии по устойчивости к перенапряжениям. В электроустановках разрушительные перенапряжения могут возникать на линиях электропередач и передачи данных. Их источниками являются резкое переключение нагрузки и сбои в энергосистеме, а также индуцированные грозовые переходные процессы от непрямого удара молнии (прямой удар молнии выходит за рамки этого стандарта). Он требует проведения испытания устойчивости к перенапряжениям в электрическом или электронном оборудовании. IEC 61000-4-5 определяет испытательную установку, процедуры и уровни классификации.

В частности, он стандартизирует требуемые формы импульсного напряжения и тока для лабораторных испытаний, причем наиболее часто используемой формой импульса является импульс "1,2/50-8/20 мкс". Хотя этот стандарт предназначен для тестирования оборудования в целом на системном уровне, а не для отдельных устройств защиты, на практике эта форма импульса часто используется также для оценки ограничителей переходного напряжения (TVS), газоразрядных трубок (GDT), металлооксидных варисторов (MOV) и других устройств защиты от перенапряжения.

Текущая версия — третье издание (2014 г.), с изменениями 2017 г. ^[1]

Тестовая настройка

В этом стандарте определены два основных компонента: два типа генераторов комбинированных волн (CWG) и различные сети связи/развязки (CDN) в зависимости от уровня и типа испытания.

Во-первых, генератор комбинированных волн — это стандартизированный импульсный генератор (иногда его также называют генератором грозовых перенапряжений), он используется для создания имитированных стандартных скачков напряжения и тока в лабораторных условиях. Затем скачок передается в порт тестируемого устройства (DUT) через соединительную сеть. Наконец, чтобы предотвратить попадание скачков напряжения на другие устройства через систему электропитания во время теста, между линией электропитания и DUT также вставляется развязывающая сеть.

Формы волновых напряжений

Генератор комбинированных волн должен иметь выход, плавающий относительно земли, и быть способным генерировать как положительные, так и отрицательные импульсы. Частота его повторения должна быть не менее одного импульса в 60 секунд.

Импульс определяется напряжением холостого хода и током короткого замыкания генератора комбинированных волн, характеризующимися временем фронта, длительностью и пиковыми значениями. При выходе холостого хода импульсное напряжение представляет собой двойной экспоненциальный импульс в форме . При выходе короткого замыкания импульсный ток представляет собой затухающую синусоиду . Соотношение между пиковым напряжением холостого хода и пиковым током короткого замыкания равно 2, что дает эффективное выходное сопротивление 2 Ом. ${\displaystyle k(e^{-\alpha t}-e^{-\beta t})}$

Обычно форма волны напряжения имеет фронт 1,2 мкс и длительность 50 мкс, а форма волны тока имеет фронт 8 мкс и длительность 20 мкс. Это наиболее часто используемая форма волны импульса для большинства приложений, часто называемая импульсом "1,2/50-8/20 мкс".

В качестве альтернативы для наружных телекоммуникационных сетей, которые испытывают более высокий уровень скачков напряжения, стандарт также определяет более энергичный генератор с формой волны напряжения 10/700 мкс и формой волны тока 5/320 мкс.

Время фронта и длительность измеряются не напрямую, а как виртуальные параметры, полученные из измерений. Для напряжения холостого хода время фронта определяется как 1,67 раза от времени нарастания 30%-90% , длительность определяется как временной интервал между точкой 50% его нарастающего фронта и точкой 50% его спадающего фронта . Для тока короткого замыкания время фронта определяется как 1,25 раза от времени нарастания 10%-90%, длительность определяется как 1,18 раза от времени между точкой 50% его нарастающего фронта и точкой 50% его спадающего фронта.

На выходе генератора допускается 30%-ный недоброс ниже нуля. На выходе Coupling Network нет переброса или предела переброса.

Сравнение с различными стандартами

МЭК 60060-1

Стоит отметить, что как напряжение "1,2/50 мкс", так и импульсы тока "8/20 мкс" являются классическими формами волн с хорошо зарекомендовавшей себя историей использования в высоковольтных испытаниях для передачи электроэнергии. ^[2] Таким образом, эти формы волн также определены в IEC 60060-1 "High-Voltage Test Techniques" и других стандартах в этом контексте. Фактически, определения форм волн в IEC 61000-4-5 изначально были основаны на IEC 60060-1. ^{[3] [4]}

Тем не менее, существуют важные различия. При традиционном высоковольтном испытании импульсы напряжения и тока испытываются отдельно, а не в комбинации. Генератор «1,2/50 мкс» предназначен для испытания изоляции и выдает высоковольтный импульс низкого тока в нагрузку с высоким импедансом. Выходной ток этого генератора находится в диапазоне миллиампер. ^{[2] [5]} Генератор «8/20 мкс» предназначен для испытания разрядников и выдает высоковольтный импульс тока в нагрузку с низким импедансом. ^[2] С другой стороны, современные электронные устройства могут быть одновременно высоко- и низкоомными нагрузками из-за нелинейных устройств, цепей защиты и искрения при пробое диэлектрика . В результате это побудило создать комбинированный волновой генератор, способный генерировать высоковольтный выходной сигнал высокого тока во время одного и того же импульса. ^[2] Кроме того, оба стандарта имеют разные допуски формы сигнала ^[6] и другие технические требования. Таким образом, IEC 61000-4-5 не следует путать с IEC 60060-1 и другими высоковольтными испытаниями, которые также используют импульс «1,2/50 мкс» или «8/20 мкс». ^[5]

IEC 61000-4-5 Ред. 2 и Ред. 3

При использовании соединительной сети прошлый опыт показал несоответствующие формы волн между различными генераторами. Таким образом, важное изменение в IEC 61000-4-5 Ed. 3 заключается в том, что генератор комбинированных волн должен быть проверен только с конденсатором 18 мкФ, подключенным к выходу. Это оказывает значительное влияние на форму волны тока короткого замыкания. Если генератор должен быть спроектирован без учета соединительного конденсатора, выход больше не будет соответствовать стандарту. ^[7]

Третье издание также упростило определения формы сигнала. Более ранний стандарт содержал два определения параметров формы сигнала "1,2/50-8/20 мкс", основанные либо на IEC 60060-1, либо на IEC 60469-1, и два определения параметров формы сигнала "10/700-5/320 мкс", основанные либо на IEC 60060-1, либо на серии ITU-T K. В издании 3 удалены ссылки на эти стандарты и даны отдельные определения. ^{[3] [4]} В частности, время фронта было переопределено в терминах времени нарастания, а не временного интервала от экстраполированного "виртуального источника" с использованием подхода IEC 60060-1. Это позволяет использовать встроенную функцию измерения на осциллографе, упрощая процедуры испытаний. Для практических целей различия между обоими определениями незначительны. ^[7] Однако, поскольку новое определение было создано с использованием IEC 60060-1 в качестве основы, генератор, откалиброванный в соответствии с определениями IEC 60469-1, может больше не соответствовать стандарту. ^[4]

Анализ схемы

Генератор 1,2/50-8/20 мкс

Упрощенная схема генератора комбинированных волн 1,2/50-8/20 мкс

Генератор комбинированных волн по сути является схемой разряда конденсатора. Первоначально переключатель открыт, источник высокого напряжения заряжает конденсатор хранения энергии через токоограничивающий резистор , который, как предполагается, достаточно велик, чтобы изолировать источник высокого напряжения от нагрузки (источник напряжения заряжает только конденсатор, импульсный ток от самого источника напряжения пренебрежимо мал). Затем переключатель замыкается, чтобы подать импульс от конденсатора к нагрузке через цепь формирования импульсов , которая состоит из индуктора формирования времени нарастания , двух резисторов формирования длительности импульса и и резистора согласования импеданса . ${\displaystyle C_{c}}$ ${\displaystyle R_{c}}$ ${\displaystyle L_{r}}$ ${\displaystyle R_{s1}}$ ${\displaystyle R_{s2}}$ ${\displaystyle R_{m}}$

Стандарт не определяет номиналы компонентов или практические схемы, может использоваться любая подходящая конструкция, соответствующая требованиям стандарта.

Полный анализ схемы идеального генератора импульсов, включая расчетные уравнения и значения компонентов, доступен в презентации «Введение в тестирование устойчивости к импульсам напряжения» Хестермана и др. ^[8] Обновленный вывод для третьего издания приведен в статье « Элементарная и идеальная эквивалентная схемная модель комбинированного генератора волн 1,2/50-8/20 мкс» Каробби и др. ^[7]

Расчетные уравнения

Следующие расчетные уравнения получены Каробби и др. В этих уравнениях зарядное напряжение равно , а компоненты — , , , , и . ^[7] ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle C=C_{c}}$ ${\displaystyle R_{1}=R_{s1}}$ ${\displaystyle R_{2}=R_{m}}$ ${\displaystyle R_{3}=R_{s2}}$ ${\displaystyle L=L_{r}}$

Напряжение холостого хода

Для напряжения разомкнутой цепи преобразование Лапласа имеет вид:

Где:

Таким образом, напряжение холостого хода представляет собой двойную экспоненциальную форму волны:

Напряжение достигает своего пикового значения при:

А пиковое напряжение равно:

Ток короткого замыкания

Обратите внимание, что при замыкании выхода последний резистор ( на схеме) фактически удаляется. ${\displaystyle R_{3}}$ ${\displaystyle R_{s2}}$

Для тока короткого замыкания преобразование Лапласа имеет вид:

Где:

Таким образом, ток короткого замыкания представляет собой затухающую синусоиду (от слабозатухающей RLC-цепи ):

Ток достигает своего пикового значения при:

А пиковый ток равен:

Решение

Игнорируем амплитуду в 4 , тогда получается:

Заменив : ${\displaystyle x=\alpha t}$

Соотношение должно быть выбрано так, чтобы форма волны имела длительность по отношению к времени фронта . Численно оценивая форму волны (включая ее время фронта и длительность) при изменении этого отношения, решение оказывается равным . Далее, и вычисляются путем численного изменения до тех пор, пока форма волны 14' с не будет иметь время фронта 1,2 мкс. Решение равно = 68,2 мкс. Следовательно, = 0,4 мкс. ${\displaystyle {\frac {\beta }{\alpha }}}$ ${\displaystyle y(x)}$ ${\displaystyle 50/1.2\approx 41.7}$ ${\displaystyle y(x)}$ ${\displaystyle {\frac {\beta }{\alpha }}=168}$ ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \alpha ^{-1}}$ ${\displaystyle \beta ^{-1}}$

Игнорируем амплитуду в 11 , тогда получается:

Заменив : ${\displaystyle z=\omega _{0}t}$

Значение должно быть выбрано так, чтобы волновая форма имела отношение длительности к времени фронта . Численно оценивая волновую форму (включая ее время фронта и длительность) при изменении , решение оказывается равным . Далее вычисляется путем ее численного изменения до тех пор, пока волновая форма 16' с не будет иметь длительность 20 мкс. При правильной длительности время фронта также автоматически удовлетворяется. Решением является . ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle y'(z)}$ ${\displaystyle 20/8=2.5}$ ${\displaystyle y'(z)}$ ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle Q=1.46}$ ${\displaystyle \omega _{0}}$ ${\displaystyle {\frac {\omega _{0}}{2\pi }}=f_{0}=20.03{\text{ kHz}}}$

После решения , , и можно получить значения компонентов схемы, выводится в первую очередь. ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \omega _{0}}$ ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle R_{3}}$

Обратите внимание, что эффективное выходное сопротивление равно (путем деления 6 на 13 ):

И можно переставить так:

Установите выходное сопротивление = 2 Ом, решение = 26,1 Ом. ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle R_{3}}$

Наконец, замкнутое решение для значений других компонентов имеет вид:

Решение: = 5,93 мкФ, = 10,9 мкГн, = 20,2 Ом и = 0,814 Ом. ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle R_{1}}$ ${\displaystyle R_{2}}$

Выходное пиковое напряжение немного ниже, чем напряжение зарядки. Чтобы масштабировать напряжение, используйте амплитуду в 4 и установите E = 1, это дает . Таким образом, напряжение зарядки конденсатора умножается на выходное пиковое напряжение. ${\displaystyle {\frac {1\cdot {\frac {R_{3}}{L}}}{\beta -\alpha }}=0.943}$ ${\displaystyle {\frac {1}{0.943}}=1.06}$

Обратите внимание, что это решение не учитывает конденсатор связи, а также имеет отрицательное отклонение . Решение обеих проблем обсуждается в следующих разделах. ${\displaystyle e^{-{\frac {\pi }{2Q}}}=0.34}$

Конденсатор связи

Дополнительный последовательный конденсатор связи емкостью 18 мкФ практически не влияет на напряжение холостого хода, но существенно влияет на ток короткого замыкания.

Carobbi et, al. предложили следующую итеративную процедуру проектирования методом проб и ошибок, чтобы учесть эффект последовательного конденсатора связи. Во-первых, без учета конденсатора, исходный анализ схемы используется повторно, и значения компонентов схемы получаются с помощью численного решателя. Затем добавляется конденсатор и отмечается изменение формы сигнала короткого замыкания. Затем параметры целевой формы сигнала для численного решателя «предварительно искажаются», получая новый набор значений компонентов (путем изменения времени фронта, длительности и эффективного выходного импеданса). Например, если пиковый ток становится слишком низким, значения компонентов пересчитываются для более высокого пикового тока путем регулировки целевого эффективного выходного импеданса. Эти шаги повторяются до тех пор, пока не будет получена желаемая форма сигнала. Приведенный здесь результат имеет точность в пределах 1,5% после двух итераций, для более высокой точности требуется больше итераций. ^[7]

Результаты

Оба источника показали, что невозможно точно соответствовать требованиям формы сигнала, не нарушая предел перерегулирования тока короткого замыкания в 30%. Тем не менее, Хестерман и др. представили приблизительное решение, регулируя параметры формы сигнала в пределах допуска. ^[8] Вывод Каробби и др. проигнорировал требование перерегулирования, указав, что практическая схема может уменьшить перерегулирование даже практически до нуля в некоторых случаях, если используется однонаправленный переключатель. ^[7] Кроме того, IEC 61000-4-5 утверждает, что на выходе соединительной сети нет требований перерегулирования или недорегулирования.

Эти решения действительны только для идеального генератора, подходящего для моделирования схемы. Его можно использовать в качестве отправной точки практического проектирования генератора, но значения компонентов должны быть дополнительно скорректированы из-за неидеальности переключателя. В идеальной схеме время нарастания напряжения разомкнутой цепи регулируется постоянной времени , но практический переключатель может вызвать ухудшение времени нарастания. Кроме того, из-за использования различных типов переключателей реальный генератор может выдавать либо двунаправленный импульс с недонапряжением, либо однонаправленный импульс без недонапряжения. Идеальная модель схемы не может предсказать эти нелинейные эффекты и не должна рассматриваться как полная модель схемы практических генераторов. ^[7] ${\displaystyle {\frac {L_{r}}{R_{m}+R_{3}}}}$

Генератор 10/700-5/320 мкс

Для импульса 10/700-5/320 мкс используется другой комбинированный генератор волн.

Упрощенная схема генератора комбинированных волн 10/700-5/320 мкс

Уровни тестирования

В следующей таблице показаны пиковое напряжение холостого хода и ток короткого замыкания комбинированного волнового генератора.

Полный ток не всегда фактически подается на DUT. В зависимости от настройки теста и типа порта, дополнительный резистор может использоваться как часть соединительной сети для снижения пикового тока импульса в DUT, повышая выходное сопротивление до 12 Ом или 42 Ом.

Смотрите также

• МЭК 61000-4-2
• МЭК 61000-4-4
• Защита от перенапряжения
• Список общих стандартов испытаний на ЭМС
• Список стандартов МЭК
• Список стандартов EN

Ссылки

1. "IEC 61000-4-5:2014+AMD1:2017 CSV Сводная версия - Электромагнитная совместимость (ЭМС) - Часть 4-5: Методы испытаний и измерений - Испытание на устойчивость к импульсным перенапряжениям" . webstore.iec.ch . Международная электротехническая комиссия . 2017.
2. Ричман, Питер (1983). Генерация импульсов напряжения и тока с одним выходом для тестирования электронных систем . Международный симпозиум IEEE по электромагнитной совместимости 1983 года. IEEE .
3. Niechcial, Frank (2020). Техническое примечание 0107: Всплеск и выброс, Сводка изменений в стандарте (PDF) (Технический отчет). Ametek CTS GmbH.
4. IEC 61000-4-5 第3版 改訂発行の対応とその改訂詳細について(PDF) (Технический отчет) (на японском языке). ШумКен. 29 мая 2014 г.
5. Rowe, Martin (2011-12-16). "Стандарты определяют тестовые импульсы, в основном". EDN .
6. GP Fotis; IF Gonos; IA Stathopulos (2004). Моделирование и эксперимент по устойчивости к перенапряжениям в соответствии с EN 61000-4-5 (PDF) (Технический отчет). Национальный технический университет Афин .
7. Карло FM Каробби; Алессио Бончи (2013). "Элементарная и идеальная эквивалентная схемная модель генератора комбинированных волн 1,2/50-8/20 мкс" . Журнал электромагнитной совместимости IEEE . 2 (4). IEEE : 51-57. doi :10.1109/MEMC.2013.6714698. S2CID  44247646.
8. Хестерман, Брайс; Пауэлл, Дуглас (2007-09-18). Введение в тестирование устойчивости к перенапряжению (PDF) . Заседание Денверского отделения Общества силовой электроники IEEE.

Внешние ссылки

• Интернет-магазин IEC
• «IEC 61000-4-5» в Международной электротехнической комиссии
• Замечание по применению STMicroelectronics AN4275 Обзор стандарта IEC 61000-4-5