龐聰 孫妍嫣 王諶凱
松下家電研究開發(fā)(杭州)有限公司 浙江杭州 310018
家用電器產(chǎn)品的電氣安全測(cè)試項(xiàng)目中有一項(xiàng)電氣強(qiáng)度試驗(yàn),目的是檢驗(yàn)產(chǎn)品的耐壓和抗絕緣能力。根據(jù)IEC 60335-1的13.3條款要求,其測(cè)量設(shè)備的終端測(cè)試電壓時(shí),高壓電源應(yīng)滿足對(duì)應(yīng)的短路電流Is和跳閘電流Ir能力,該要求如表1所示。
在我們進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),對(duì)設(shè)備操作只有跳閘電流Ir設(shè)置,并未涉及短路電流Is設(shè)置,那么這個(gè)短路電流Is究竟代表什么意思,起到什么作用呢?另外根據(jù)JJG 795《耐電壓檢測(cè)儀檢定規(guī)程》,只有Ir檢定章程,沒有Is檢定方法,因此目前第三方計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室無法在校準(zhǔn)證書上提供短路電流Is能力數(shù)據(jù)。這就導(dǎo)致有些實(shí)驗(yàn)室通過采購(gòu)跳閘能力Ir≥200mA的設(shè)備,來確保Is≥200mA,但是這樣的設(shè)備容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求,不僅使設(shè)備重量變大,不利于操作者維護(hù)使用,也使實(shí)驗(yàn)室成本上升。那么有沒有方法來驗(yàn)證短路電流Is,讓實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)確把握設(shè)備短路容量狀況,避免不符合標(biāo)準(zhǔn)要求?本文就以上兩個(gè)問題點(diǎn)開展討論與分析。
耐壓儀工作原理就是將輸入電壓經(jīng)過升壓變壓器,將電壓升至所需試驗(yàn)電壓,然后施加在被測(cè)物兩端,通過測(cè)量被測(cè)物兩端產(chǎn)生的微小電流,反饋到耐壓儀的控制器,判斷是否超過設(shè)置的跳閘電流Ir,若超過設(shè)置值,則啟動(dòng)電流繼電器動(dòng)作,斷開測(cè)量回路并輸出報(bào)警提示,若未超過則輸出通過提示。圖1為工作原理框圖。
耐壓儀的高壓輸出主要是靠升壓變壓器,能將輸入電壓升壓到幾十、幾百倍后再輸出。升壓變壓器等效原理圖如圖2所示:Es和Zs是變壓器驅(qū)動(dòng)電源的電動(dòng)勢(shì)和輸出阻抗;R1和L1是初級(jí)線圈的電阻和電感;為了防止意外短路時(shí)變壓器因過載而損壞,從而存在危害人身安全隱患,在變壓器輸出次級(jí)接一個(gè)限流電阻器R0;I1和I2是流過初級(jí)和次級(jí)線圈的電流,當(dāng)次級(jí)輸出短路時(shí),產(chǎn)生的I2電流就是我們所說的短路電流Is。跳閘電流Ir不屬于升壓模塊里,而是設(shè)備內(nèi)置連接控制器的限流繼電器模塊來實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)市面主流耐壓儀參數(shù)可知,耐壓儀容量分500VA和1000VA,現(xiàn)就菊水的TOS5302(額定容量500VA,短路電流200mA以上)為例說明短路電流>200mA驗(yàn)證方法。
圖1 耐壓儀工作原理框圖
圖2 升壓變壓器等效原理圖
圖3 驗(yàn)證短路電流連接圖
圖4 實(shí)際測(cè)量布置圖
3.1.1 驗(yàn)證方法理論說明
通過設(shè)計(jì)回路,模擬被測(cè)擊穿,使110mA跳閘電流動(dòng)作,觀測(cè)此時(shí),實(shí)際產(chǎn)生的電流大小,若產(chǎn)生電流>200mA,則說明該設(shè)備的短路電流能力>200mA。
3.1.2 回路接線方式
回路接線方式如圖3所示。
3.1.3 測(cè)試步驟
(1)驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)合理過程
電阻R1和R2的作用是分壓限流,實(shí)驗(yàn)室根據(jù)現(xiàn)有電阻器可任意設(shè)置大小,但是要遵循兩個(gè)原則:一是當(dāng)輸出4000V時(shí),電路的電流要略大于200mA,個(gè)人認(rèn)為250mA左右即可;二是電阻R1分壓到的電壓值不能超過電壓探頭的量程,防止損壞電壓探頭。以下是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室有的電阻器設(shè)置的參數(shù):負(fù)載R1和R2分別為1.5kΩ和13kΩ,則示波器測(cè)量的電阻R1兩端電壓:
U=4000×1.5/(13+1.5)=413.8V
故選取1000V的高壓探頭就可以保證設(shè)備安全。
測(cè)量各電阻值:R1電阻1.56kΩ,R2電阻13.11kΩ,輸出電壓為耐壓儀顯示電壓值U。測(cè)量布置圖如圖4所示。
設(shè)置TOS5302參數(shù)設(shè)定:
ACW:500/1000V,Dwell time:60s,Ramp time:0.1s;將耐壓儀H.V輸出夾R2的一端,Return輸出夾R1一端,整個(gè)H.V與Return所構(gòu)成的總電阻為14.67kΩ,接線方式如圖3;按下Test鍵,得到耐壓儀顯示漏電流和示波器顯示電流對(duì)應(yīng)值如表2。
由這兩組數(shù)據(jù)驗(yàn)證可知:①耐壓儀顯示的電流值和電路計(jì)算電流值一致;②通過讀取示波器電壓值,計(jì)算得到電流值與耐壓儀流過的電流值一致。得到的結(jié)論就是計(jì)算流經(jīng)R1的電流值就是流經(jīng)耐壓儀的電流,那么只要耐壓儀輸出4000V時(shí),流經(jīng)R1的電流>200mA,即耐壓儀可承受的流經(jīng)電流>200mA。
(2)有了上面準(zhǔn)備工作,開始測(cè)量各電壓值下流經(jīng)耐壓儀的電流。耐壓儀參數(shù)設(shè)定為:
ACW:2000/3000/4000V;Dwell time:60s;Ramp time:0.1s。
因R1電流大于100mA時(shí),耐壓儀會(huì)切斷輸出報(bào)警,故將耐壓儀H.V輸出夾暫時(shí)不夾電阻,Return輸出夾R1電阻,暫不構(gòu)成電路通路;計(jì)算出R1分壓電壓值,設(shè)置示波器觸發(fā)條件;按下Test鍵;將高壓H.V去觸碰電阻R1,模擬輸出瞬間短路并擷取波形。
(3)測(cè)試結(jié)果
耐壓儀理論電流值與計(jì)算值比較如表3所示,4000V時(shí),觸發(fā)得到的電壓波形如圖5所示。
(4)測(cè)試結(jié)論
實(shí)際測(cè)得的結(jié)果耐壓儀面板會(huì)顯示ACW 4kV,OVER 110mA,示波器測(cè)量得到電阻R1兩端電壓降364.16V(顯示峰值515V),所以計(jì)算得知對(duì)應(yīng)電流為233.44mA。若將輸出直接短路,短路電流會(huì)更大,故可以得知升壓器的限流電阻所限制的短路電流≥233.44mA,即Is>200mA得到驗(yàn)證。反之,如果理論計(jì)算流經(jīng)電流遠(yuǎn)大于200mA,但通過測(cè)量R1電壓再計(jì)算電流,該電流值不能到200mA,則說明耐壓儀的升壓變壓器輸出側(cè)使用的限流電阻器將電流限制在200mA以下,即不能滿足Is≥200mA要求。
表1 高壓電源的特性
表2 耐壓儀顯示電流值與計(jì)算值比較
表3 耐壓儀理論電流值與計(jì)算值比較
圖5 電壓截取波形(設(shè)置4000V)
通過用電流探頭直接測(cè)量短路電流值。因?yàn)槟蛪簝x的短路電流值預(yù)計(jì)在mA級(jí),一般不會(huì)超過1A,因此選用電流探頭時(shí),只要量程夠大,精度足夠即可。操作方法為:
(1)將耐壓儀輸出電壓設(shè)置到4000V,跳閘電流設(shè)置為設(shè)備的最大值;
(2)將耐壓儀輸出H.V和RETUR兩端輸出線連接;
(3)將示波器電流探頭夾在輸出線上,并設(shè)置好示波器單次觸發(fā)模式;
(4)按下耐壓儀的測(cè)試鍵,此刻耐壓儀是會(huì)立刻切斷輸出電壓并報(bào)警;
(5)讀取示波器上截到的電流波形,若電流值>200mA即短路電流Is>200mA。
該方法直接了當(dāng),免去計(jì)算和驗(yàn)證過程,但是直接短路畢竟是模擬一種非正常測(cè)量,對(duì)設(shè)備會(huì)造成較大沖擊,可能使儀器損壞。
本文從耐壓儀工作原理角度闡述了短路電流Is和跳閘電流Ir產(chǎn)生因素及實(shí)際意義,并介紹間接驗(yàn)證短路電流和直接測(cè)量短路電流兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。只要實(shí)驗(yàn)室具備測(cè)量?jī)x器設(shè)備,且測(cè)試人員完全理解短路電流測(cè)量驗(yàn)證原理并掌握方法,其實(shí)直接測(cè)量法和間接驗(yàn)證法均能得出耐壓儀的短路電流Is能力,只是從保護(hù)設(shè)備的角度出發(fā),建議使用間接測(cè)量法。最后需要注意整個(gè)測(cè)量驗(yàn)證過程一定要注意安全,操作者需穿絕緣鞋、使用絕緣手套等勞保用品,防止意外發(fā)生。