МЭК 61000-4-5

IEC 61000-4-5 — это международный стандарт Международной электротехнической комиссии по устойчивости к перенапряжениям. В электроустановке разрушительные скачки напряжения на линиях электропередачи и передачи данных могут возникать . Их источниками являются резкое переключение нагрузки и неисправности в энергосистеме, а также переходные процессы, вызванные молнией в результате непрямого удара молнии (прямая молния не рассматривается в настоящем стандарте). Это требует проверки устойчивости к перенапряжениям в электрическом или электронном оборудовании. МЭК 61000-4-5 определяет схему испытаний, процедуры и уровни классификации.

В частности, он стандартизирует необходимые формы импульсного напряжения и тока для лабораторных испытаний, при этом импульс «1,2/50–8/20 мкс» является наиболее часто используемой формой импульсного сигнала. Хотя этот стандарт предназначен для испытаний оборудования в целом на уровне системы, а не для отдельных устройств защиты, на практике эта форма импульсного сигнала часто также используется для оценки ограничителей переходного напряжения (TVS), газоразрядных трубок (GDT), металлооксидных варисторов ( MOV) и другие устройства защиты от перенапряжения.

Текущая версия — третье издание (2014 г.) с поправками, внесенными в 2017 г. ^{[ 1 ]}

Тестовая установка

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 испытаний.

Во-первых, генератор комбинированных волн — это стандартизированный генератор импульсов (иногда его также называют генератором грозовых перенапряжений), он используется для создания моделируемых стандартных скачков напряжения и тока в лабораторных условиях. Впоследствии импульс передается в порт тестируемого устройства (DUT) через сеть связи. Наконец, чтобы предотвратить попадание скачков напряжения на другие устройства через систему питания во время испытания, между линией электропитания и тестируемым устройством также вставляется развязывающая сеть.

Формы импульсных волн

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

Скачок определяется напряжением холостого хода комбинированного генератора волн и формой волны тока короткого замыкания, характеризующейся временем фронта, продолжительностью и пиковыми значениями. При выходе разомкнутой цепи импульсное напряжение представляет собой двойной экспоненциальный импульс в форме $k(e^{-\alpha t}-e^{-\beta t})$ . При выходе короткого замыкания форма волны импульсного тока представляет собой затухающую синусоидальную волну . Соотношение между пиковым напряжением холостого хода и пиковым током короткого замыкания равно 2, что дает эффективное выходное сопротивление 2 Ом.

Напряжение холостого хода
(увеличенный нарастающий фронт, не в масштабе, фактический нарастающий фронт представляет собой почти вертикальную линию)

Ток короткого замыкания

Обычно форма сигнала напряжения имеет время фронта 1,2 мкс и длительность 50 мкс, а форма сигнала тока имеет время фронта 8 мкс и длительность 20 мкс. Это наиболее часто используемая форма импульсного сигнала 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 продолжительность измеряются не напрямую, а как виртуальные параметры, полученные в результате измерений. 30–90 % Для напряжения холостого хода время фронта определяется как 1,67-кратное время нарастания , продолжительность 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-кратное время нарастания 10–90%, продолжительность определяется как 1,18-кратный временной интервал между точкой 50% его нарастающего фронта и точкой 50% его спадающего фронта.

На выходе генератора провал допускается ниже нуля на 30%. На выходе соединительной сети нет ограничений по перерегулированию или перерегулированию.

Сравнение с различными стандартами

МЭК 60060-1

Стоит отметить, что импульсы напряжения «1,2/50 мкс» и импульсы тока «8/20 мкс» являются классическими формами сигналов с хорошо зарекомендовавшей себя историей использования при высоковольтных испытаниях при передаче электроэнергии. ^{[ 2 ]} Таким образом, эти формы сигналов также определяются стандартом IEC 60060-1 «Методы испытаний высоким напряжением» и другими стандартами в этом контексте. Фактически, определения формы сигнала в IEC 61000-4-5 изначально были основаны на IEC 60060-1. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Тем не менее, существуют важные различия. При традиционных высоковольтных испытаниях импульсы напряжения и тока проверяются отдельно, а не вместе. Генератор «1,2/50 мкс» предназначен для испытаний изоляции и выдает высоковольтный слаботочный импульс на высокоомную нагрузку. Выходной ток этого генератора измеряется миллиамперами. ^{[ 2 ]}^{[ 5 ]} Генератор «8/20 мкс» предназначен для тестирования ограничителей перенапряжения и создает выброс сильного тока в низкоомную нагрузку. ^{[ 2 ]} С другой стороны, современные электронные устройства могут быть одновременно высокоомной и низкоомной нагрузкой из-за нелинейных устройств, схем защиты и образования дуги при пробое диэлектрика . В результате это послужило стимулом для создания генератора комбинированных волн, способного генерировать выходное напряжение высокого напряжения и сильного тока во время одного и того же скачка напряжения. ^{[ 2 ]} Кроме того, оба стандарта имеют разные допуски по форме сигнала. ^{[ 6 ]} и другие технические требования. Таким образом, IEC 61000-4-5 не следует путать с IEC 60060-1 и другими высоковольтными испытаниями, в которых также используются импульсы «1,2/50 мкс» или «8/20 мкс». ^{[ 5 ]}

МЭК 61000-4-5 Ред. 2 и Эд. 3

При использовании сети связи прошлый опыт показал несогласованность форм сигналов между разными генераторами. Таким образом, важное изменение в IEC 61000-4-5 Ed. 3 заключается в том, что генератор комбинированных волн необходимо проверять только с подключенным на выходе конденсатором емкостью 18 мкФ. Это оказывает существенное влияние на форму волны тока короткого замыкания. Если генератор будет спроектирован без учета разделительного конденсатора, выходная мощность больше не будет соответствовать стандартам. ^{[ 7 ]}

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

Анализ цепей

Генератор 1,2/50–8/20 мкс

Генератор комбинированных волн по сути представляет собой схему разряда конденсатора. Первоначально ключ разомкнут, источник высокого напряжения заряжает накопительный конденсатор. $C_{c}$ через токоограничивающий резистор $R_{c}$ , которое предполагается достаточно большим, чтобы изолировать источник высокого напряжения от нагрузки (источник напряжения только заряжает конденсатор, импульсный ток от самого источника напряжения пренебрежимо мал). Затем переключатель замыкается для подачи импульса от конденсатора к нагрузке через сеть формирования импульсов , которая состоит из индуктора, формирующего время нарастания. $L_{r}$ , два резистора формирования длительности импульса $R_{s1}$ и $R_{s2}$ и резистор, согласующий импеданс $R_{m}$ .

В стандарте не указаны значения компонентов или практические схемы, может использоваться любая подходящая конструкция, соответствующая требованиям стандарта.

Полный анализ схемы идеального генератора импульсных перенапряжений, включая расчетные уравнения и значения компонентов, доступен в презентации «Введение в тестирование устойчивости к скачкам напряжения». Hesterman et al. ^{[ 8 ]} Обновленный вывод для третьего издания приведен в статье « Элементарная и идеальная модель эквивалентной схемы комбинированного генератора волн 1,2/50–8/20 мкс», автором Carobbi et al. ^{[ 7 ]}

Уравнения расчета

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

Напряжение холостого хода

Для напряжения холостого хода его преобразование Лапласа имеет вид:

V(s)={\frac {E\cdot {\frac {R_{3}}{L}}}{s^{2}+s(\alpha +\beta )+\alpha \beta }}

( 1 )

Где:

\alpha +\beta ={\frac {R_{2}+R_{3}}{L}}+{\frac {1}{R_{1}C}}

( 2 )

\alpha \beta ={\frac {R_{1}+R_{2}+R_{3}}{R_{1}LC}}

( 3 )

Таким образом, напряжение холостого хода представляет собой сигнал двойной экспоненциальной формы:

v(t)={\frac {E\cdot {\frac {R_{3}}{L}}}{\beta -\alpha }}(e^{-\alpha t}-e^{-\beta t})

( 4 )

Напряжение достигает своего максимального значения при:

t_{pe}={\frac {\ln {(\beta /\alpha )}}{\beta -\alpha }}

( 5 )

А пиковое напряжение равно:

V_{p}={\frac {E\cdot {\frac {R_{3}}{L}}}{\beta -\alpha }}(e^{-\alpha t_{pe}}-e^{-\beta t_{pe}})

( 6 )

Ток короткого замыкания

Когда выход закорочен, обратите внимание, что последний резистор $R_{3}$ ( $R_{s2}$ на схеме) эффективно удаляется.

Для тока короткого замыкания преобразование Лапласа имеет вид:

I(s)={\frac {\frac {E}{L}}{\left(s+{\frac {\omega _{0}}{2Q}}\right)^{2}+\omega _{n}^{2}}}

( 7 )

Где:

\omega _{0}^{2}={\frac {R_{1}+R_{2}}{LCR_{1}}}

( 8 )

{\frac {w_{0}}{Q}}={\frac {R_{2}}{L}}+{\frac {1}{R_{1}C}}

( 9 )

\omega _{n}=\omega _{0}{\sqrt {1-(1/2Q)^{2}}}

( 10 )

Таким образом, ток короткого замыкания представляет собой затухающую синусоидальную волну (из недостаточно затухающей цепи RLC ):

i(t)={\frac {E}{\omega _{n}L}}e^{-{\frac {\omega _{0}}{2Q}}t}\sin {(\omega _{n}t)}

( 11 )

Ток достигает своего максимального значения при:

t_{ps}={\frac {1}{\omega _{n}}}\arctan {\left({\sqrt {(2Q)^{2}-1}}\right)}

( 12 )

А пиковый ток:

I_{p}={\frac {E}{\omega _{0}L}}e^{-{\frac {\omega _{0}}{2Q}}t_{ps}}

( 13 )

Решение

Не обращайте внимания на амплитуду в 4 , она становится:

v'(t)=e^{-\alpha t}-e^{-\beta t}

( 14 )

Подставив $x=\alpha t$ :

y(x)=e^{-x}-e^{-{\frac {\beta }{\alpha }}x}

( 15 )

Соотношение ${\frac {\beta }{\alpha }}$ следует выбрать, чтобы сделать $y(x)$ Форма сигнала имеет длительность по отношению к фронтальному времени $50/1.2\approx 41.7$ . Путем численной оценки $y(x)$ формы волны (включая время ее фронта и продолжительность) при изменении этого соотношения оказывается, что решение: ${\frac {\beta }{\alpha }}=168$ . Следующий, $\alpha$ и $\beta$ рассчитываются путем численного изменения $\alpha$ Форма сигнала до 14 с имеет время фронта 1,2 мкс. Решение $\alpha ^{-1}$ = 68,2 мкс. Поэтому, $\beta ^{-1}$ = 0,4 мкс.

Не обращайте внимания на амплитуду в 11 , она становится:

i'(t)=e^{-{\frac {\omega _{0}}{2Q}}t}\sin {(\omega _{n}t)}

( 16 )

Подставив $z=\omega _{0}t$ :

y'(z)=e^{\frac {-z}{2Q}}\sin {\left({\sqrt {1-(1/2Q)^{2}}}z\right)}

( 17 )

Значение $Q$ следует выбрать, чтобы сделать $y'(z)$ Форма волны имеет отношение длительности к времени фронта $20/8=2.5$ . Путем численной оценки $y'(z)$ форма сигнала (включая время его фронта и продолжительность), меняясь при этом $Q$ , решение оказывается $Q=1.46$ . Следующий, $\omega _{0}$ вычисляется путем численного изменения до тех пор, пока 16 форма волны не будет иметь длительность 20 мкс. При правильной продолжительности время фронта также автоматически удовлетворяется. Решение ${\frac {\omega _{0}}{2\pi }}=f_{0}=20.03{\text{ kHz}}$ .

Один раз $\alpha$ , $\beta$ , $\omega _{0}$ и $Q$ решены, можно получить значения компонентов схемы, $R_{3}$ выводится первым.

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

R={\frac {V_{p}}{I_{p}}}={\frac {\omega _{0}}{\beta -\alpha }}(e^{-\alpha t_{pe}}-e^{-\beta t_{pe}})e^{{\frac {\omega _{0}}{2Q}}t_{ps}}R_{3}

( 18 )

И можно переставить так:

R_{3}={\frac {(\beta -\alpha )e^{-{\frac {\omega _{0}}{2Q}}t_{ps}}}{{\omega _{0}(e^{-\alpha t_{pe}}}-e^{-\beta t_{pe}})}}R

( 19 )

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

Наконец, решение в замкнутой форме для значений других компонентов:

L={\frac {R_{3}}{\alpha +\beta -\omega _{0}/Q}}

( 20 )

R_{2}=\left({\frac {\omega _{0}}{Q}}-{\frac {\alpha \beta -\omega _{0}^{2}}{\alpha +\beta -\omega _{0}/Q}}\right)L

( 21 )

R_{1}={\frac {\omega _{0}^{2}}{\alpha \beta -\omega _{0}^{2}}}R_{3}-R_{2}

( 22 )

C={\frac {1}{R_{1}}}{\frac {\alpha +\beta -\omega _{0}/Q}{\alpha \beta -\omega _{0}^{2}}}

( 23 )

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

Пиковое выходное напряжение немного ниже напряжения зарядки. Чтобы масштабировать напряжение, используйте амплитуду в 4 и установите E = 1, это дает ${\frac {1\cdot {\frac {R_{3}}{L}}}{\beta -\alpha }}=0.943$ . Таким образом, напряжение зарядки конденсатора равно ${\frac {1}{0.943}}=1.06$ раз превышает пиковое выходное напряжение.

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

Соединительный конденсатор

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

Кэробби и др. предложил следующую итеративную процедуру проектирования методом проб и ошибок, позволяющую учесть влияние конденсатора последовательной связи. Во-первых, без учета конденсатора, повторно используется исходный анализ схемы, а значения компонентов схемы получаются с помощью численного решателя. Затем добавляется конденсатор и отмечается изменение формы сигнала короткого замыкания. Затем целевые параметры формы сигнала для численного решателя «предварительно искажаются», получая новый набор значений компонентов (путем изменения времени фронта, продолжительности и эффективного выходного сопротивления). Например, если пиковый ток становится слишком низким, значения компонентов пересчитываются для более высокого пикового тока путем корректировки 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

Идеальные значения компонентов (Численное приближение)
18 мкФ Ряд Конденсатор	Зарядка Напряжение (V)	$C_{c}$ (мкФ)	$L_{r}$ (мкГн)	$R_{m}$ (Ой)	$R_{s1}$ (Ой)	$R_{s2}$ (Ой)	Текущий Недолет (%)	К
Нет	1060	5.93	10.9	0.814	20.2	26.1	34	Кэробби и др. ^{[ 7 ]}
Нет	1082	6.04	10.4	0.941	25.1	19.8	27.4	Хестерман и др. ал. ^{[ 8 ]}
Да	1063	9.98	10.7	0.832	9.39	25.5	39	Кэробби и др. ^{[ 7 ]}

Оба источника показали, что невозможно точно удовлетворить требования к форме сигнала без нарушения 30%-го предела перерегулирования тока короткого замыкания. Тем не менее, Хестерман и др. ал. представил приближенное решение путем корректировки параметров формы сигнала в пределах допуска. ^{[ 8 ]} Вывод Carobbi et al. проигнорировал требование недорегулирования, указав, что практическая схема может уменьшить перерегулирование даже практически до нуля в некоторых случаях, если используется однонаправленный переключатель. ^{[ 7 ]} Кроме того, в стандарте IEC 61000-4-5 указано, что на выходе соединительной цепи нет требований к перерегулированию или недорегулированию.

Эти решения справедливы только для идеального генератора, подходящего для моделирования цепей. Его можно использовать в качестве отправной точки для практического проектирования генератора, но значения компонентов необходимо дополнительно корректировать из-за неидеальности переключателя. В идеальной цепи время нарастания напряжения холостого хода определяется постоянной времени ${\frac {L_{r}}{R_{m}+R_{3}}}$ , но практическое переключение может привести к ухудшению времени нарастания. Кроме того, из-за использования различных типов переключателей реальный генератор может выдавать либо двунаправленный импульс с провалом, либо однонаправленный импульс без провала. Модель идеальной схемы не может предсказать эти нелинейные эффекты, и ее не следует рассматривать как полную модель схемы практических генераторов. ^{[ 7 ]}

Генератор 10/700–5/320 мкс

Для импульсов 10/700–5/320 мкс используется другой генератор комбинированных волн.

Тестовые уровни

В следующей таблице показаны пиковые напряжения холостого хода и ток короткого замыкания генератора комбинированных волн.

Уровни испытаний на перенапряжение (IEC/EN 61000-4-5)
Сорт	Тестовый уровень (V)	Максимальный пиковый ток при 2 Ом (А)
1	500	250
2	1000	500
3	2000	1000
4	4000	2000
Х	Особенный	Особенный
X может быть любым уровнем, указанным в стандартах на конкретный продукт. Он может находиться выше, ниже или между остальными.

Полный ток на самом деле не всегда подается на ИУ. В зависимости от испытательной установки и типа порта дополнительный резистор может использоваться как часть схемы связи для уменьшения пикового импульсного тока в тестируемом устройстве, повышая выходное сопротивление до 12 Ом или 42 Ом.

См. также

Ссылки

^ «IEC 61000-4-5:2014+AMD1:2017 CSV Консолидированная версия. Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 4-5. Методы испытаний и измерений. Испытание на устойчивость к перенапряжению» . webstore.iec.ch . Международная электротехническая комиссия . 2017.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Ричман, Питер (1983). Генерация импульсов напряжения и тока с одним выходом для тестирования электронных систем . 1983 Международный симпозиум IEEE по электромагнитной совместимости. ИИЭЭ .
^ Перейти обратно: ^а ^б Ниечиал, Франк (2020). Техническое примечание 0107: Всплески и скачки напряжения, сводка изменений к стандарту (PDF) (технический отчет). Аметек ЦТС ГмбХ.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с IEC 61000-4-5, 3-е издание: Ответ на пересмотренную публикацию и подробности пересмотра (PDF) (Технический отчет) (на японском языке, NoiseKen, 29 мая 2014 г.).
^ Перейти обратно: ^а ^б Роу, Мартин (16 декабря 2011 г.). «Стандарты в основном определяют тестовые импульсы» . ЭДН .
^ Г.П. Фотис; ЕСЛИ ГОНОС; И.А. Статопулос (2004). Моделирование и эксперимент по устойчивости к перенапряжениям в соответствии с EN 61000-4-5 (PDF) (Технический отчет). Национальный технический университет Афин .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Карло Ф.М. Кэробби; Алессио Бончи (2013). «Элементарная и идеальная модель эквивалентной схемы генератора комбинированных волн 1,2/50-8/20 мкс» . Журнал IEEE по электромагнитной совместимости . 2 (4). ИИЭР : 51-57. дои : 10.1109/MEMC.2013.6714698 . S2CID 44247646 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Хестерман, Брайс; Пауэлл, Дуглас (18 сентября 2007 г.). Введение в испытания на устойчивость к скачкам напряжения (PDF) . Заседание Денверского отделения Общества силовой электроники IEEE.

Внешние ссылки

[1] «IEC 61000-4-5:2014+AMD1:2017 CSV Консолидированная версия. Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 4-5. Методы испытаний и измерений. Испытание на устойчивость к перенапряжению» . webstore.iec.ch . Международная электротехническая комиссия . 2017.

[richman1983-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Ричман, Питер (1983). Генерация импульсов напряжения и тока с одним выходом для тестирования электронных систем . 1983 Международный симпозиум IEEE по электромагнитной совместимости. ИИЭЭ .

[ametek-cts-3] Перейти обратно: ^а ^б Ниечиал, Франк (2020). Техническое примечание 0107: Всплески и скачки напряжения, сводка изменений к стандарту (PDF) (технический отчет). Аметек ЦТС ГмбХ.

[noiseken-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с IEC 61000-4-5, 3-е издание: Ответ на пересмотренную публикацию и подробности пересмотра (PDF) (Технический отчет) (на японском языке, NoiseKen, 29 мая 2014 г.).

[edn-5] Перейти обратно: ^а ^б Роу, Мартин (16 декабря 2011 г.). «Стандарты в основном определяют тестовые импульсы» . ЭДН .

[6] Г.П. Фотис; ЕСЛИ ГОНОС; И.А. Статопулос (2004). Моделирование и эксперимент по устойчивости к перенапряжениям в соответствии с EN 61000-4-5 (PDF) (Технический отчет). Национальный технический университет Афин .

[carlo2013-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Карло Ф.М. Кэробби; Алессио Бончи (2013). «Элементарная и идеальная модель эквивалентной схемы генератора комбинированных волн 1,2/50-8/20 мкс» . Журнал IEEE по электромагнитной совместимости . 2 (4). ИИЭР : 51-57. дои : 10.1109/MEMC.2013.6714698 . S2CID 44247646 .

[hesterman-8] Перейти обратно: ^а ^б ^с Хестерман, Брайс; Пауэлл, Дуглас (18 сентября 2007 г.). Введение в испытания на устойчивость к скачкам напряжения (PDF) . Заседание Денверского отделения Общества силовой электроники IEEE.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]