浅谈IEC EN61643-11标准以及证测试过程中常见问题

1、浅谈IEC/EN61643-11Low Voltage Surge Protective Devices（低压浪涌保护器）标准以及认证测试过程中常见问题分析摘要：本文解读了IEC61643-11:2011, EN61643-11:2012 Low Voltage Surge Protective Devices低压浪涌保护器测试标准，分析了Type 1 SPD, TYPE 2 SPD, TYPE 3 SPD产品在认证测试过程中的常见问题关键词：Surge Protective Devices, TYPE 1 SPD, TYPE 2 SPD, TYPE 3 SPD，性能测试，常见波形，常见问题一

2、：前言 随着国民经济的不断发展，现代化水平的快速提高，在信息化带动工业化的指引下，各类信息设备、电子计算机、精密仪器、数据网络设备的应用越来越广泛，此类设备一般工作电压低、耐压水平低、敏感性高、抗干扰能力低，因而极易受到雷电电流脉冲的危害。每年都给人类造成巨大的直接经济损失。而因重要设备损坏使网络陷入瘫痪而造成的间接损失更是惊人，已引起国内相关领域对此类系统加强保护的高度重视，如下是一个显示电涌过电压危害的比例已经达到所有危害的31.68%。二：浪涌保护器主要冲击波形说明电压波1,2/50s Voltage Impulse: 其波头时间(从10峰值上升到90峰值的时间)为1.2s；半峰值时间为

3、50s (见下图)8/20s电流波8/20s current Impulse：其波头时间为8s，半峰值时间为20s (见下图)10/350s电流波10/350s Current Impulse: 其波头时间为10s，半峰值时间为350s (见下图)三： TYPE 1 SPD ，TYPE 2 SPD和TYPE 3 SPD的区分方式 Type 1 (作为第一级防雷器，对直击雷电进行泄放，其可防范10/350s波形) Type 2 (作为第二级防雷器，针对前级防雷器的残余电压以及区内感应雷击的防护设备，其需要第二级防雷器进行吸收，同时经过第一级防雷器的传输线路也会感应雷电电磁脉冲辐射，当线路足够长感

4、应雷的能量就变得足够大，需要第二级防雷器进一步对雷击能量实施泄放，具体测试时用8/20s电流波进行测试) Type 3 (作为第三级防雷器，对经过第一级和通过第二级防雷器的残余雷击能量进行保护，具体测试时用组合波，1,2/50s电压波和8/20s电流波进行)四：浪涌主要电气性能测试8.3.2漏电流测试IPE （Residual current IPE）8.3.3限制电压测试Measuring limiting voltage，包含如下三种测试8/20s电流波下测试的残压：针对TYPE 1 SPD 和TYPE 2 SPD波前放电电压1.2/50电压波：针对含有开关型元器件的TYPE 1 SPD和

5、TYPE 2 SPD组合波（1.2/50电压波和8/20电流波的组合波）下的限制电压：针对TYPE 3 SPD8.3.4动作负载测试Operating duty test：相比较限制电压来说，这个测试需要在加Uc的情况下进行8.3.5脱扣以及SPD在过载情况下的安全测试 （包括条款8.3.5.1 耐温测试，8.3.5.2热稳定测试，8.3.5.3短路性能测试，8.3.5.3.2模拟失效测试）Figure 12是模式失效的测试电路Figure 13是模拟失效测试时间图8.3.8（临时故障电压TOV测试，包括8.3.8.1低压用户端故障电压测试，8.3.8.1缺零情况故障电压测试，8.3.8.2高

6、压故障电压测试）8.3.8.1 LV部分TOV测试（用户安装问题导致），测试电压为1.732Uref，持续时间为5S，测试结果需要时耐受8.3.8.1 LV部分TOV测试（缺零问题），测试电压为1.32Uref，持续时间为120分钟，测试结果可以是耐受，也可以是安全失效8.3.8.2 HV部分TOV测试，测试电压为1200+Uref，测试时间为200mS, 测试结果可以是耐受，也可以是安全失效Figure 14 (低压TOV的测试电路)Figure 15 （低压TOV的测试时间图）Figure 16（高压TOV的测试电路）Figure 17(高压TOV的测试时间图)Table B1 （TOV测

7、试的测试电压）五：测试过程中出现的问题5.1 对于正常冲击测试来说，比较容易出现的问题如下5.1.1 压敏电阻在测试中损坏，比如炸开等下图是一个MOV损坏的样品照片，可以清晰的看到MOV已经炸开了原因分析：厂商所用MOV耐冲击能量不够，除了MOV本身的类别以外，MOV的外形尺寸也可以大概判定其实否耐冲击，比如同一个厂商同一个有认证的压敏电阻型号比如14D471K，虽然样品标志都是14D471K，但是不同厂商最终买了的MOV元器件却相差甚远，有些厚度有3.9毫米，有些只有2.1毫米甚至更薄，有些直径差不多有15毫米，有些只有13.5毫米左右，对于比较饱满并且直径较大的MOV来说，其耐冲击必然很好

8、，而比较薄并且直径较小的MOV来说耐冲击性能则比较差。造成这种差别的原因很多，主要就是成本了。对于元器件厂商来说，一份价钱一份货，成本控制的后果必然是性能下降。样品图片比较:如下左侧和右侧的MOV的型号规格是完全一样的，但是左侧样品所用MOV比较薄，右侧所用MOV则比较厚，这样撇去其它的因素不说，单单厚薄对于测试结果来说必然大相径庭解决方法：厂商需要根据SPD需要达到的性能选用合适规格性能的MOV，检测公司对于测试样品需要适当保留下来样测试的MOV的尺寸信息以便日后保证大货的一致性避免来样和大货不一致5.1.2 脱扣动作原因分析：客户选用的脱扣，比如温保的额定参数和SPD的参数不匹配，比如TY

9、PE 3 SPD的Uoc为6KV，选用的温保的额定电流只有2A（有些甚至用的温保额定只有1A），这样冲击几次温保就会断开解决方法：客户需要根据SPD需要达到的性能参数选取合适的脱扣，保证脱扣的参数可以在SPD正常冲击时耐受，比如常见TYPE 3 SPD，Uoc小于等于6KV情况时，建议选取使用额定电流参数为5A或者10A的温保下图是TYPE 1 SPD和TYPE 2 SPD所用典型外部脱扣保险丝额定和冲击额定之间的示例5.1.3 线路板Trace击穿原因分析：线路板的Trace通流量不够，SPD正常情况是不工作的，但是如果脉冲过电压产生的话，浪涌抑制性元器件MOV，GDT会瞬间变成低阻抗从而将

10、大电流释放掉，此刻如果线路板Trace过窄的话，那么瞬间的大电流则会将Trace击穿样品图片比较：左侧是一个SPD电流释放Trace非常不合理很窄的样品图片，右侧则是一个SPD电流释放Trace较宽比较合理的样品图片，厂商还在合理的Trace上额外加了些焊锡更好的保证了通流量解决方法：厂商需要在初始设计时保证线路板的Trace以及爬漏电距离满足SPD合理的通流量5.1.4残压高于客户申称的Up原因分析：除了MOV，GDT选用排布不合理来说，导致Up较高的问题还包括SPD的连接线过细（因IEC/EN 61643-11对于Type 3 SPD的连接导线的最细截面积没有明确说明，在建议客户用和主回路

11、同样的导线的劝说无效的情况，我们只能对于来样测试根据标准判定，有些厂商所用的连接线甚至是22AWG（0.32mm2）,一般指示灯回路的连接导线差不多就是22AWG，但是SPD在有过电压的时候是要释放大电流的，这不是一个摆设，不过现在很多产品增加多种功能并不是真的为了达到性能，而是增加卖点。根据欧姆定律来说U=IR，残压就是释放电流和电阻（包括压敏电阻，连接导线以及线路板 Trace所有的阻值），对于越细的导线来说，其阻值必然较高，也许零点几欧姆的电阻不高，但是乘以一个2KA左右的释放电流还低吗？记得以前测试TYPE 1 SPD和TYPE 2 SPD，比较专业的浪涌生产厂商对于连接导线以及测试的

12、夹持点都非常关注和特别要求。样品图片：如下就是一个用和指示灯回路一样的导线连接的一个SPD，其仅仅在L-N之间跨接了一个14D471K的MOV，按说这种情况残压不会超过1KV，但是实际测试的残压为1.66KV，而客户标志的Up则为2.5KV，对于一个如果懂SPD性能的买家来说，其不会选择这样的产品，因为这样的SPD其实已经失去了该有的性能，Uoc 3KV，Up 2.5KV，这和没有浪涌保护有多少质的区别5.2 对于模拟失效和短路测试来说，比较容易出现的问题如下5.2.1 外壳测试后明显损坏，有的壳体炸飞，有的已经有明显的烧焦的洞，测试指可以碰到内部带电体，原因分析：选用预处理电流不合适，标准要

13、求厂商申称的预处理电流为120A之间的任何一个数值，根据多次测试经验来看，1A是最容易通过的，20A测试一般样品会损坏烧毁。对于1 A情况下样品仍然有如下损坏情况的可能是MOV性能不够好恢复性能差，在1200V的预处理电压去除以后，MOV无法恢复性能已经损坏，这时进入UREF的短路情况，如果脱扣动作在不灵敏，外壳阻燃性能不好的话，MOV再紧贴着外壳的话，那么壳体炸飞以及烧焦就会产生了。样品图片：如下是测试后外壳明显损坏的样品解决方法：选用性能较好的MOV，选用合理的预处理电流，保证MOV和外壳之间有合理的距离，建议最好能保证有3毫米左右的距离5.2.1测试结束后外观完好，但是拆开看内部， 脱扣

14、没有及时动作，而是线路板的Trace炸飞导致测试回路断开原因分析：a. 脱扣引脚过长，这样线路板Trace已经承受大电流的时候，引脚还没有及时将电力传到脱扣处，从而导致Trace在脱扣动作前动作，见下图（反过来说，引脚像如下这样弯一道从而里PCB较远的话，从生厂工艺上来说比较好控制，因为过锡炉的时候，温保不会动作，凡事都是双刃剑，过锡炉不动作，那么在大电流来的时候也不会动作呀。对于温保引脚靠PCB较近的情况，虽然感温灵敏，但是过锡炉时温保容易动作，这时候可能需要提高工艺或者手工保证等）b. PCB板的材料不好，一般环氧板材料比较好，那种纸板材料就不太好，容易失败c. 线路板的Trace通流量不

15、好，比如Trace太窄或者太薄等，见下图d. 线路板设计不科学，比如如下，L-PE的浪涌回路从线路板上几乎绕走了一圈，这个偏离了浪涌设计要求，放电路径尽可能短，通流量尽可能大的原则，从测试结果来看也是，因为过长的放电路径，大电流在线路板上绕走一圈，测试后，脱扣还没有及时动作的情况，这一圈放电回路的Trace已经炸的面目全非了 e. 脱扣的电流过大，比如用的脱扣和主回路一样达到16A左右，这样其跳断的时间会比常用的3A,5A,10A的脱扣时间要长解决方法：元器件安装方式合理，选用恰当，线路板布局合理5.3 对于故障电压测试来说，比较容易出现的问题如下5.3.1. 低压故障电压测试8.3.8.1的

16、用户端问题的耐受测试不耐受，SPD损坏，脱扣动作原因分析：对于常见TN，TN，IT配电系统来说，对于L-N模式，要求用户端问题的情况，能够耐受的LV TOV电压为1.32Uref=336.6Vac，等同于475.95Vdc，对于有些客户，其为了获得较好的Up数值，尽可能在L-N之间跨接一个参数较小的MOV，比如14D391K（相当在1mA情况下MOV两端的电压为390Vdc），这样故障电压数值475.95Vdc和390Vdc之间的比例差不多是1.22倍，一般MOV在两端施加的电压超过压敏电压的1.1倍或者更高的情况，容易呈现出短路状态，这样脱扣就会动作解决方法：在L-N之间跨接合理参数的MOV

17、，比如14D561K，有些客户为了更保险，希望缺零情况也能耐受，其直接将L-N之间跨接的MOV参数变成14D681K（相当在1mA情况下MOV两端的电压为680Vdc），而测试的残压一般也不会超过2KV六：结束语本文探讨并分析了IEC 61643-11:2011,EN 61643-11:2012的标准测试条款。同时分析了新旧标准版本差异以及认证测试过程中需要注意的事项。本文在产品认证和工厂开发产品过程中，给认证同行以及客户提供了相关建议和参考。参考文献：IEC 61643-11：2011，EN 61643-11：2012: 低压浪涌保护器 (Low Voltage Surge Protective Devices): 部分11：用于连接到低压配电系统的浪涌保护器的要求以及测试方法 (Part 11: Surge protectiv