浅析UL1449浪涌电压校验及测试方法

江朝军 余 嘉 付 杰

（公牛集团股份有限公司 检测中心 慈溪 315314）

引言

防浪涌保护插座在国外家庭的使用有很长的年限了，用户将家电设备插入到插座上，有效的防止和减少家用电源网中的瞬态过压、电涌以及短时的雷电电压对设备的损坏。对于出口美国的带浪涌插座需符合UL1449的安规标准。由于目前国内插座行业具备防雷设备和专业人士的并不多，设备及专业人士主要集中在一些测试机构或大型SPD部件厂商，本文主要目的在于结合笔者对实际标准和设备的掌握程度，形成更简单直白的方式，让插座行业的技术人员可以很清晰明了的理解UL1449中浪涌电压测试系统的设备构建，组合波电压和电流的校验方法，以及测试中的要点。

1 SPD（浪涌保护器）的分类

1.1 TYPE 1 SPD

永久固定安装在配电变压器二次配电线和配电装置过电流断路器的线路侧或负载侧，包含电能表插座外壳的浪涌保护器（无外部过流保护装置）（图1）。

1.2 TYPE 2 SPD

永久固定安装在入户处总过流保护装置的负载端的浪涌保护器，包括分支电路配电盘上的浪涌保护器（图2）。

1.3 TYPE 3 SPD

用电点SPD，安装在距离用电配电板至少10 m（30英尺）走线长度的用电点，如线缆连接性，直插式，插座类型及安装在被保护设备上的浪涌保护器（图3）。

分类综述:上述是关于浪涌保护器的分类，还有Type 4，Type5是针对组件和安装在PCB上的单一原件而言的，依据以上分类定义来看插座为属于Type 3的浪涌保护器。

图1 TYPE 1图例

2 术语定义

2.1 1/50电压波形

视在波前电压为1.2 μs，半峰值时间为50 μs的开路冲击电压。

2.2 8/20电流波形

视在波前时间为8 μs，半峰值时间为20 μs的短路冲击电流。

2.3 组合波

又称复合浪涌波形，就是说浪涌是由发生器产生，可以在开路条件下施加一个1.2/50的浪涌电压，然后释放8/20波形，在短路条件下，确切的波形由浪涌发生器的虚拟阻抗决定。

3 测试设备

3.1 浪涌发生器

浪涌发生器（包含连接到试验电源上的方式，图4），需要将附录B（图5）中规定的浪涌在交流正弦波上以规定的相角传输到试验电源接口上。

图2 TYPE 2 图例

图3 TYPE 3 图例

图4 浪涌发生器

浪涌发生器与连接的SPD间感抗和阻抗应尽可能的减小，也应尽可能的减少噪音。若使用裸线，应将其尽量保持直线且靠在一起，长度应尽可能的短。

图5 浪涌电压测试参数

在带电测试过程中，需防止浪涌反馈到交流电网中（可能导致负载的浪涌发生器或其它设备受损）。

产生浪涌的工频电源接口与位于其上端的其它设备电源接口之间应连接一个反向滤波器，滤波器能有效的将浪涌与交流电源系统隔离；发生器应有一个串联的耦合/去耦合网络；对于生成器应该是无接地输出的，通常而言就是作“浮动”输出（对于高容量的发生器可能会需要接地输出）。为了方便测试样品与浪涌生成器的连接，插片、插座和接线端子都可以被使用，确保浪涌生成器与测试设备的引线能被连接到以上装置的端子上。当所述的这些装置被用来连接，应保证其导线长度。空间间隙对浪涌施加时不造成影响，有无影响可以通过设备在波形校验阶段来确定。

浪涌发生器的工频电源应具备足够大的电源能力（SCC），UL1449里面要求最大100 A。其有效短路电流能力需要被验证。验证方法为在浪涌发生器工频电源输出端口接通20 A的阻性负载，然后对比负载前与负载后的电压值，按照如下公式进行计算：

式中：

SCC—Short circuit current-短路电流；

Voc—Open-circuit Voltage-开路电压，也就是在输出端口上的空载电压；

Vcc—Closed circuit Voltage-闭合电压，也就是接通负载电流后的电压值；

I—负载电流：20 A。

通过（1）公式计算的值需要大于100 A。

3.2 示波器（图6）

峰值电压的测量需要使用储存式示波器，最小的单次带宽或有效带宽为20 MHz，若为数字型示波器，应能显示出SPD对浪涌响应的整个过程波形。测量时使用示波器上的自动峰值检测功能（可设置“Single”触发）。示波器的时间基轴（秒每格）可设置为10 us/div或更小的值。最小的采样率应为5 000 000样本每秒（5 Ms/s）。另外，示波器的垂直通道应有1 MΩ（也可以选择50 Ω）的输入阻抗，且具备执行差分测量的能力。

所有的测量在示波器差分模式下执行（举例说明：如果通道1 连接到火线导线，那么通道2应连接到零线导线，通道1设置在正常模式，通道2 设置为反向模式。差分模式将这些通道增加在一起在合成的线路上产生结果响应）。

示波器的垂直通道设置为DC耦合模式。

配备有噪音过滤功能的示波器（通常指“高分辨率”或“加强分辨率”），以产生有效的采样率和带宽，有助于减少显示波形的错误噪声。

3.3 高压探头

对于限制电压的确定，使用Tektronix P6015A的电压探头（见图7），探头的导线为3 m，可依据高压探头生产厂商的规格书对于安装在示波器通道上的探头进行补偿。

高压探头上的接地线可以拆除也可以将其互相连接在一起，但不能连接到测试样品和测试设备上。

连接到SPD上的高压探头线应互相缠绕在一起，使环路面积最小化（减少导线和连接上的磁场干扰）。

高压探头连接到测试样品上，应尽可能近的靠近测试样品，且位于电流流动的垂直方向。

高压探头以及连接导线都不需要做任何改变处理，在为了减小干扰时可以将鳄鱼夹用锡焊的方式连接到探头上。

3.4 比流计（图8）

测量短路电流应选用能测量合适的峰值电流和具有时间电流特性的电流监控装置——比流计。比流计的可用上升时间不可超过800 ns，其下降系数需小于0.01 %/μs，适用于1 MΩ、50 Ω或75 Ω的示波器端口。

比流计不论其是否具备衰减须有最大±1 %的公差。

4 校验程序

4.1 电压信号噪音干扰值测量

测试流程：

1）测试样品连接到浪涌发生器输出端口，接上高压探棒。

2）设置示波器的时间和电压幅值（scale），与VPR（电压保护等级）测试时保持一致。

3）在不加浪涌冲击的条件下，触发示波器，记录测量出的最大值，需要重复5次测试。

图6 测试示波器

图7 高压差分探头

图8 电流测试比流计

4）然后对测量出的5个电压值进行平均值测算，在VPR测试时，需要将测得的数据减去此干扰值。

电压信号噪音测量如图9。

4.2 电流信号噪音干扰值测量（图10）

测试流程：

1）6AWG尽量短的导线连接到浪涌发生器的输出端，接上比流计。

2）设置示波器的时间和电压幅值（scale），与In（标称放电电流）或动作负载测试时保持一致。

3）在不加浪涌冲击的条件下，触发示波器，记录测量出的最大值，需要重复5次测试。

4）然后对测量出的5个电流值进行平均值测算，最后在In（标称放电电流）电流校验值基础上减去此干扰值。

4.3 短路电流（short-circuit current SCC）波形校验

4.3.1 衰减时间 Decay Time （Duration）

衰减时间为波形验原点到半峰值的时间（50 %的最大值）。

衰减时间波形要求：≥16 μs，≤28 μs。

4.3.2 上升时间 Rise Time （Front Time）

上升时间为10 %峰值电流到90 %的峰值电流时间差值乘以1.25倍后的时间值。

上升时间要求：≥5.5 μs，≤9 μs。

为保证测试结果的一致性和准确性，短路电流值的校验公差要求在规范内，仅为+10 %。可以使测试样品连接到发生器输出端口上的线尽可能的短，同时确保所有的连接良好，无松动。使用过长的导线会影响SCC（短路电流）波形，尤其是电流的幅值和上升时间。浪涌发生器的连接线从测试样品中断开一根，比流计插入到输出引线上，输出引线尽可能的短，同时可以通过端子，插座等有效连接方式确保低的阻抗。

比流计连接到示波器上，垂直通道的量程设定需要能看到实际的测试值。 浪涌电流施加时，当最大值在标称值+10 %的范围内，便可进行上升时间的测算。

在短路电流校验过程中若测试出来的电流值过低，可以通过缩短发生器到测试样品引线的长度或者通过增加发生器上的电压值来达到要求的电流值。

测试样品在进行In测试或动作负载测试时，需要先对一个产品进行电流值校验，测试时比流计直接插入到测试样品的一根导线上，然后进行In电流校准，测得的电压数据为后续产品测试基准值。（后续测试样品的导线与校验样品保持一致。）

短路电流波形校验上升时间、衰减时间见图11、12。

4.4 开路电压（Open circuit voltage OCV）波形校验

在进行开路电压校验测量时，浪涌发生器的电压不需要重新设定，重置会影响已经校验过的短路电流波形，因此开路电压校验可以直接依据短路电流校验符合后的电压值来对时间和幅值进行确认。

图9 电压信号噪音测量

图10 电流信号噪音测量

浪涌发生器输出端口不接任何产品和引线，示波器与高压探棒连接正常，两根探棒分别接上发生器上的高压输出线路和低压输出线路，若通道1接上高压引线，通道2接上低压引线，在示波器上设置为DC耦合模式，且通道1为正常（normal）模式，通道2为反向（inverted）模式，根据测试电压值设置电压幅值（V/div）。

如果测试浪涌电压峰值在要求值+10 %，-5 %的范围内，可以进行衰减时间的测算。（备注：更高的电压值有可能被使用。）

1）衰减时间 Decay Time （Duration）

衰减时间为波形验原点到半峰值的时间（50 %的最大值）。

衰减时间波形要求：≥40 μs，≤60 μs。

2）上升时间 Rise Time（Front Time）

上升时间为30 %峰值电压到90 %的峰值电压时间差值乘以1.67倍后的时间值。

图11 短路电流波形校验（8/20 电流波形）上升时间Short circuit current calibration:最大电流值：3.16 kA上升时间（us）Rise time :1.25x(t90-t10)=8.63 μs；(t90-t10)=6.9 μs；

图12 短路电流波形校验（8/20 电流波形）衰减时间Short circuit current calibration:最大电流值：3.16 kA衰减时间Decay time (duration):18.1 μs

图13 开路电压波形校验（1.2/50电压波形）上升时间Open circuit voltage calibration:最大电压值：6.0 kV上升时间（us）Rise time:1.67x(t90-t30)=1.34 μs；(t90-t30)=0.8 μs；

图14 开路电压波形校验（1.2/50电压波形）衰减时间Open circuit voltage calibration:最大电压值：6 kV衰减时间Decay time (duration)：47.9 μs

上升时间要求：≥0.84 μs，≤1.56 μs。

开路电压波形校验上升时间、衰减时间见图13、14。

5 测试程序

5.1 初始VPR（电压保护额定）的确定

对实际产品的标定值进行确认检查，监控其是否具备所述的限制电压能力去达到在电涌或瞬态过压的条件下去保护插入在插座上的其他家用设备。

5.1.1 测试方法

测试样品按照校验好的电压值，进行3次6 kV/3 kA的组合波冲击测试，测试时浪涌发生器输出端口叠加工频电源（比如：125 V），浪涌施加时测试相角设置到90±10 °。测试出的平均值减去校验时的信号噪音干扰值，不能超过产品的标称值，同时不可出现单次的测试值高于标称值的10 %减去校验时的信号噪音干扰电压值。测试时需要在每组标定的模式下进行，若存在N-G模式时，可以不用施加工频电源。

测试波形图，测试最大电压值见图15。

5.2 标称放电电流测试（In）

此项测试一般在Type 1、Type 2设备及组件上测试较多，根据之前定义说明，即PSD安装在更前端的一些电网上，亦有不少插座（Type 3）直接宣称In值，对此类产品需要进行In测试。用8/20短路波形，3 kA电流值，进行15次电流冲击来模拟SPD在整个生命周期可能会遭受到的电流冲击，以确保其具备相应的耐受能力和不造成任何安全风险。

5.2.1 测试方法

浪涌冲击时不施加工频电压到测试产品上，样品经受3组5次测试，浪涌电流施加后1 s内接通工频电压（最大工作电压），然后在此电压下工作60 s±5 s，然后重复测试，单次浪涌间隔时间允许最大为60 s± 15 s，每一组5次测试结束后，样品允许休息30±5 min。当15次测试结束后，样品还需在最大工作电压下工作15 min。

判定标准：

在In测试过程中和测试结束后不可出现如下结果：

1）出现火焰，融化金属或火焰颗粒从外壳开口处散射；

2）引起绵纸，纱布或支撑表面碳化，灼烧，起火；

3）外壳引燃；

4）导致外壳开口过大，防触电试验指接触带电部件；

5）导致内部或外部的辅助保护装置动作。

5.3 动作负载测试（针对Type 3 SPD 和Type 3 SPD 组件）

测试样品或组件接通额定电压源进行动作负载测试。测试样品经受15次 6 kV/3 kA组合波测试，其中8次冲击为正极性，7次冲击为负极性，测试相角为90 °（+0 °，-15 °），每次浪涌施加之间允许最大的间隔时间为60 s，测试标准的判定与In（标称放电电流）测试一致。

图15 测试波形图，测试最大电压值：448 V(L-N)

5.4 重复VPR（电压保护等级）测试

经过标称放电电流或动作负载测试的样品，需要重新进行电压保护等级测试，重测的电压保护水平平均值与初始VPR测试时的平均值偏差不可超过10 %。

6 总结

针对UL1449标准的深度解析与日常的实际测试工作结合，先对浪涌设备的分类和常用技术术语进行了简述，然后对UL认可的试验设备进行了介绍。其中在细节上对测试设备的参数要求予以说明，通过具体的标准测试步骤结合实际的测试波形，展现出整个UL1449测试过程中的关键要点，对后续在UL以及类似防雷元件产品的浪涌电压测试上如何减少信号噪音、保证测试的准确性提供参考。