淺析UL1449浪涌電壓校驗及測試方法

江朝軍 余 嘉 付 杰

（公牛集團股份有限公司 檢測中心 慈溪 315314）

引言

防浪涌保護插座在國外家庭的使用有很長的年限了，用戶將家電設備插入到插座上，有效的防止和減少家用電源網中的瞬態過壓、電涌以及短時的雷電電壓對設備的損壞。對于出口美國的帶浪涌插座需符合UL1449的安規標準。由于目前國內插座行業具備防雷設備和專業人士的并不多，設備及專業人士主要集中在一些測試機構或大型SPD部件廠商，本文主要目的在于結合筆者對實際標準和設備的掌握程度，形成更簡單直白的方式，讓插座行業的技術人員可以很清晰明了的理解UL1449中浪涌電壓測試系統的設備構建，組合波電壓和電流的校驗方法，以及測試中的要點。

1 SPD（浪涌保護器）的分類

1.1 TYPE 1 SPD

永久固定安裝在配電變壓器二次配電線和配電裝置過電流斷路器的線路側或負載側，包含電能表插座外殼的浪涌保護器（無外部過流保護裝置）（圖1）。

1.2 TYPE 2 SPD

永久固定安裝在入戶處總過流保護裝置的負載端的浪涌保護器，包括分支電路配電盤上的浪涌保護器（圖2）。

1.3 TYPE 3 SPD

用電點SPD，安裝在距離用電配電板至少10 m（30英尺）走線長度的用電點，如線纜連接性，直插式，插座類型及安裝在被保護設備上的浪涌保護器（圖3）。

分類綜述:上述是關于浪涌保護器的分類，還有Type 4，Type5是針對組件和安裝在PCB上的單一原件而言的，依據以上分類定義來看插座為屬于Type 3的浪涌保護器。

圖1 TYPE 1圖例

2 術語定義

2.1 1/50電壓波形

視在波前電壓為1.2 μs，半峰值時間為50 μs的開路沖擊電壓。

2.2 8/20電流波形

視在波前時間為8 μs，半峰值時間為20 μs的短路沖擊電流。

2.3 組合波

又稱復合浪涌波形，就是說浪涌是由發生器產生，可以在開路條件下施加一個1.2/50的浪涌電壓，然后釋放8/20波形，在短路條件下，確切的波形由浪涌發生器的虛擬阻抗決定。

3 測試設備

3.1 浪涌發生器

浪涌發生器（包含連接到試驗電源上的方式，圖4），需要將附錄B（圖5）中規定的浪涌在交流正弦波上以規定的相角傳輸到試驗電源接口上。

圖2 TYPE 2 圖例

圖3 TYPE 3 圖例

圖4 浪涌發生器

浪涌發生器與連接的SPD間感抗和阻抗應盡可能的減小，也應盡可能的減少噪音。若使用裸線，應將其盡量保持直線且靠在一起，長度應盡可能的短。

圖5 浪涌電壓測試參數

在帶電測試過程中，需防止浪涌反饋到交流電網中（可能導致負載的浪涌發生器或其它設備受損）。

產生浪涌的工頻電源接口與位于其上端的其它設備電源接口之間應連接一個反向濾波器，濾波器能有效的將浪涌與交流電源系統隔離；發生器應有一個串聯的耦合/去耦合網絡；對于生成器應該是無接地輸出的，通常而言就是作“浮動”輸出（對于高容量的發生器可能會需要接地輸出）。為了方便測試樣品與浪涌生成器的連接，插片、插座和接線端子都可以被使用，確保浪涌生成器與測試設備的引線能被連接到以上裝置的端子上。當所述的這些裝置被用來連接，應保證其導線長度。空間間隙對浪涌施加時不造成影響，有無影響可以通過設備在波形校驗階段來確定。

浪涌發生器的工頻電源應具備足夠大的電源能力（SCC），UL1449里面要求最大100 A。其有效短路電流能力需要被驗證。驗證方法為在浪涌發生器工頻電源輸出端口接通20 A的阻性負載，然后對比負載前與負載后的電壓值，按照如下公式進行計算：

式中：

SCC—Short circuit current-短路電流；

Voc—Open-circuit Voltage-開路電壓，也就是在輸出端口上的空載電壓；

Vcc—Closed circuit Voltage-閉合電壓，也就是接通負載電流后的電壓值；

I—負載電流：20 A。

通過（1）公式計算的值需要大于100 A。

3.2 示波器（圖6）

峰值電壓的測量需要使用儲存式示波器，最小的單次帶寬或有效帶寬為20 MHz，若為數字型示波器，應能顯示出SPD對浪涌響應的整個過程波形。測量時使用示波器上的自動峰值檢測功能（可設置“Single”觸發）。示波器的時間基軸（秒每格）可設置為10 us/div或更小的值。最小的采樣率應為5 000 000樣本每秒（5 Ms/s）。另外，示波器的垂直通道應有1 MΩ（也可以選擇50 Ω）的輸入阻抗，且具備執行差分測量的能力。

所有的測量在示波器差分模式下執行（舉例說明：如果通道1 連接到火線導線，那么通道2應連接到零線導線，通道1設置在正常模式，通道2 設置為反向模式。差分模式將這些通道增加在一起在合成的線路上產生結果響應）。

示波器的垂直通道設置為DC耦合模式。

配備有噪音過濾功能的示波器（通常指“高分辨率”或“加強分辨率”），以產生有效的采樣率和帶寬，有助于減少顯示波形的錯誤噪聲。

3.3 高壓探頭

對于限制電壓的確定，使用Tektronix P6015A的電壓探頭（見圖7），探頭的導線為3 m，可依據高壓探頭生產廠商的規格書對于安裝在示波器通道上的探頭進行補償。

高壓探頭上的接地線可以拆除也可以將其互相連接在一起，但不能連接到測試樣品和測試設備上。

連接到SPD上的高壓探頭線應互相纏繞在一起，使環路面積最小化（減少導線和連接上的磁場干擾）。

高壓探頭連接到測試樣品上，應盡可能近的靠近測試樣品，且位于電流流動的垂直方向。

高壓探頭以及連接導線都不需要做任何改變處理，在為了減小干擾時可以將鱷魚夾用錫焊的方式連接到探頭上。

3.4 比流計（圖8）

測量短路電流應選用能測量合適的峰值電流和具有時間電流特性的電流監控裝置——比流計。比流計的可用上升時間不可超過800 ns，其下降系數需小于0.01 %/μs，適用于1 MΩ、50 Ω或75 Ω的示波器端口。

比流計不論其是否具備衰減須有最大±1 %的公差。

4 校驗程序

4.1 電壓信號噪音干擾值測量

測試流程：

1）測試樣品連接到浪涌發生器輸出端口，接上高壓探棒。

2）設置示波器的時間和電壓幅值（scale），與VPR（電壓保護等級）測試時保持一致。

3）在不加浪涌沖擊的條件下，觸發示波器，記錄測量出的最大值，需要重復5次測試。

圖6 測試示波器

圖7 高壓差分探頭

圖8 電流測試比流計

4）然后對測量出的5個電壓值進行平均值測算，在VPR測試時，需要將測得的數據減去此干擾值。

電壓信號噪音測量如圖9。

4.2 電流信號噪音干擾值測量（圖10）

測試流程：

1）6AWG盡量短的導線連接到浪涌發生器的輸出端，接上比流計。

2）設置示波器的時間和電壓幅值（scale），與In（標稱放電電流）或動作負載測試時保持一致。

3）在不加浪涌沖擊的條件下，觸發示波器，記錄測量出的最大值，需要重復5次測試。

4）然后對測量出的5個電流值進行平均值測算，最后在In（標稱放電電流）電流校驗值基礎上減去此干擾值。

4.3 短路電流（short-circuit current SCC）波形校驗

4.3.1 衰減時間 Decay Time （Duration）

衰減時間為波形驗原點到半峰值的時間（50 %的最大值）。

衰減時間波形要求：≥16 μs，≤28 μs。

4.3.2 上升時間 Rise Time （Front Time）

上升時間為10 %峰值電流到90 %的峰值電流時間差值乘以1.25倍后的時間值。

上升時間要求：≥5.5 μs，≤9 μs。

為保證測試結果的一致性和準確性，短路電流值的校驗公差要求在規范內，僅為+10 %。可以使測試樣品連接到發生器輸出端口上的線盡可能的短，同時確保所有的連接良好，無松動。使用過長的導線會影響SCC（短路電流）波形，尤其是電流的幅值和上升時間。浪涌發生器的連接線從測試樣品中斷開一根，比流計插入到輸出引線上，輸出引線盡可能的短，同時可以通過端子，插座等有效連接方式確保低的阻抗。

比流計連接到示波器上，垂直通道的量程設定需要能看到實際的測試值。 浪涌電流施加時，當最大值在標稱值+10 %的范圍內，便可進行上升時間的測算。

在短路電流校驗過程中若測試出來的電流值過低，可以通過縮短發生器到測試樣品引線的長度或者通過增加發生器上的電壓值來達到要求的電流值。

測試樣品在進行In測試或動作負載測試時，需要先對一個產品進行電流值校驗，測試時比流計直接插入到測試樣品的一根導線上，然后進行In電流校準，測得的電壓數據為后續產品測試基準值。（后續測試樣品的導線與校驗樣品保持一致。）

短路電流波形校驗上升時間、衰減時間見圖11、12。

4.4 開路電壓（Open circuit voltage OCV）波形校驗

在進行開路電壓校驗測量時，浪涌發生器的電壓不需要重新設定，重置會影響已經校驗過的短路電流波形，因此開路電壓校驗可以直接依據短路電流校驗符合后的電壓值來對時間和幅值進行確認。

圖9 電壓信號噪音測量

圖10 電流信號噪音測量

浪涌發生器輸出端口不接任何產品和引線，示波器與高壓探棒連接正常，兩根探棒分別接上發生器上的高壓輸出線路和低壓輸出線路，若通道1接上高壓引線，通道2接上低壓引線，在示波器上設置為DC耦合模式，且通道1為正常（normal）模式，通道2為反向（inverted）模式，根據測試電壓值設置電壓幅值（V/div）。

如果測試浪涌電壓峰值在要求值+10 %，-5 %的范圍內，可以進行衰減時間的測算。（備注：更高的電壓值有可能被使用。）

1）衰減時間 Decay Time （Duration）

衰減時間為波形驗原點到半峰值的時間（50 %的最大值）。

衰減時間波形要求：≥40 μs，≤60 μs。

2）上升時間 Rise Time（Front Time）

上升時間為30 %峰值電壓到90 %的峰值電壓時間差值乘以1.67倍后的時間值。

圖11 短路電流波形校驗（8/20 電流波形）上升時間Short circuit current calibration:最大電流值：3.16 kA上升時間（us）Rise time :1.25x(t90-t10)=8.63 μs；(t90-t10)=6.9 μs；

圖12 短路電流波形校驗（8/20 電流波形）衰減時間Short circuit current calibration:最大電流值：3.16 kA衰減時間Decay time (duration):18.1 μs

圖13 開路電壓波形校驗（1.2/50電壓波形）上升時間Open circuit voltage calibration:最大電壓值：6.0 kV上升時間（us）Rise time:1.67x(t90-t30)=1.34 μs；(t90-t30)=0.8 μs；

圖14 開路電壓波形校驗（1.2/50電壓波形）衰減時間Open circuit voltage calibration:最大電壓值：6 kV衰減時間Decay time (duration)：47.9 μs

上升時間要求：≥0.84 μs，≤1.56 μs。

開路電壓波形校驗上升時間、衰減時間見圖13、14。

5 測試程序

5.1 初始VPR（電壓保護額定）的確定

對實際產品的標定值進行確認檢查，監控其是否具備所述的限制電壓能力去達到在電涌或瞬態過壓的條件下去保護插入在插座上的其他家用設備。

5.1.1 測試方法

測試樣品按照校驗好的電壓值，進行3次6 kV/3 kA的組合波沖擊測試，測試時浪涌發生器輸出端口疊加工頻電源（比如：125 V），浪涌施加時測試相角設置到90±10 °。測試出的平均值減去校驗時的信號噪音干擾值，不能超過產品的標稱值，同時不可出現單次的測試值高于標稱值的10 %減去校驗時的信號噪音干擾電壓值。測試時需要在每組標定的模式下進行，若存在N-G模式時，可以不用施加工頻電源。

測試波形圖，測試最大電壓值見圖15。

5.2 標稱放電電流測試（In）

此項測試一般在Type 1、Type 2設備及組件上測試較多，根據之前定義說明，即PSD安裝在更前端的一些電網上，亦有不少插座（Type 3）直接宣稱In值，對此類產品需要進行In測試。用8/20短路波形，3 kA電流值，進行15次電流沖擊來模擬SPD在整個生命周期可能會遭受到的電流沖擊，以確保其具備相應的耐受能力和不造成任何安全風險。

5.2.1 測試方法

浪涌沖擊時不施加工頻電壓到測試產品上，樣品經受3組5次測試，浪涌電流施加后1 s內接通工頻電壓（最大工作電壓），然后在此電壓下工作60 s±5 s，然后重復測試，單次浪涌間隔時間允許最大為60 s± 15 s，每一組5次測試結束后，樣品允許休息30±5 min。當15次測試結束后，樣品還需在最大工作電壓下工作15 min。

判定標準：

在In測試過程中和測試結束后不可出現如下結果：

1）出現火焰，融化金屬或火焰顆粒從外殼開口處散射；

2）引起綿紙，紗布或支撐表面碳化，灼燒，起火；

3）外殼引燃；

4）導致外殼開口過大，防觸電試驗指接觸帶電部件；

5）導致內部或外部的輔助保護裝置動作。

5.3 動作負載測試（針對Type 3 SPD 和Type 3 SPD 組件）

測試樣品或組件接通額定電壓源進行動作負載測試。測試樣品經受15次 6 kV/3 kA組合波測試，其中8次沖擊為正極性，7次沖擊為負極性，測試相角為90 °（+0 °，-15 °），每次浪涌施加之間允許最大的間隔時間為60 s，測試標準的判定與In（標稱放電電流）測試一致。

圖15 測試波形圖，測試最大電壓值：448 V(L-N)

5.4 重復VPR（電壓保護等級）測試

經過標稱放電電流或動作負載測試的樣品，需要重新進行電壓保護等級測試，重測的電壓保護水平平均值與初始VPR測試時的平均值偏差不可超過10 %。

6 總結

針對UL1449標準的深度解析與日常的實際測試工作結合，先對浪涌設備的分類和常用技術術語進行了簡述，然后對UL認可的試驗設備進行了介紹。其中在細節上對測試設備的參數要求予以說明，通過具體的標準測試步驟結合實際的測試波形，展現出整個UL1449測試過程中的關鍵要點，對后續在UL以及類似防雷元件產品的浪涌電壓測試上如何減少信號噪音、保證測試的準確性提供參考。