能源之星瞬态保护的测试方法和判定

在低压交流电网中,由于线路故障、设备操作以及雷击等原因,会在供电线中产生偶发的瞬态干扰脉冲。这种干扰脉冲串入室内线路后,往往会影响电器设备的正常运行,严重时还会导致设备损坏,甚至使用电系统瘫痪,造成无法挽回的损失。

 

1. 瞬态干扰对灯具的危害

瞬态干扰脉冲出现的时间短、幅度大,同时又快速振荡衰减,通常不具有重复性。其对灯具的影响主要涉及驱动器、光源和整灯结构几个方面,常见的危害如下:

  • 瞬态高压可能会超过元器件的耐受性,导致器件击穿失效
  • 快速上升的瞬态振荡信号可能会超过电容器的dv/dt值,从而导致电容器介质退化或失效
  • 瞬态干扰的振荡波形会加剧半导体器件的开关损耗,严重时会导致整流桥、晶体管、集成电路等器件烧毁,这是最常见的危害表现
  • 振荡脉冲会对驱动器内部的某些数字信号产生干扰,可能导致控制电路出现逻辑错误
  • 以高电压形式出现的瞬态脉冲可能导致灯具的某些部位出现绝缘击穿,甚至可能连带损伤对电压变化极度敏感的LED器件,表现出与耐压测试一致结果

 

2. 对瞬态干扰的规范

当前,已经有多项法规对瞬态干扰的试验方法进行规范,其中制定较早和引用较多的是IEC61000-4-12《电磁兼容(EMC) 第4-12部分:试验和测量技术-振铃波抗扰度》和ANSI/IEEE C62.41.1《低压(1000V及以下)交流电力电路的浪涌环境指南》及ANSI/IEEE C62.41.2《低压(1000V及以下)交流电力电路中浪涌特性的推荐实施规程》。相关标准定义了一个振铃波信号来模拟瞬态脉冲干扰,为电气设备的抗扰度能力建立起共同的性能评价标准。

中国国家标准GB/T17626.12《电磁兼容:试验和测量技术-振铃波抗扰度试验》等同采用国际标准IEC61000-4-12,规定了电气和电子设备对振铃波抗扰度试验的试验等级和测试方法。国家标准GB/T 24907-2010《道路照明用LED灯 性能要求》和GB/T 24827-2015《道路与街路照明灯具性能要求》也将振铃波测试列入性能测试范畴,测试方法参照GB/T17626.12执行。

在美国,针对照明产品的电磁抗扰性要求,除了FCC规范对传导和辐射提出管制以外,美国环保署(EPA)发布的能源之星灯具和灯泡规范还提出了瞬态保护(Transient Protection)的测试要求。能源之星要求所有采用电网供电的灯泡和灯具都必须进行振铃波冲击测试,以考察照明产品抵抗电力线上的瞬态干扰的能力。具体的测试方法参照ANSI/IEEE C62.41.1和ANSI/IEEE C62.41.2这两份标准。

墨西哥能效标准 NOM-030-ENER-2016《普通照明一体式LED灯泡能效要求》也包含有振铃波测试项目,测试要求与美国能源之星相同。

 

3. 灯具设备的位置分类

瞬态干扰的主要来源是雷击,其进入电网的方式分为直击耦合和非直击耦合两种类型。直接雷击对户外电路施加强电流冲击,经接地电阻或外部电路的阻抗入射而产生高电压冲击,从电网窜入室内电路,造成电器损坏,但这种情况较少发生。间接雷击对建筑物附近的物体和土壤施加雷电冲击,放电过程产生的瞬变电磁场会在附近电力线路中感应出瞬态脉冲高压,这是造成用电设备损坏的主要原因。

另外,电力系统内部的有意操作,例如高压刀闸的投切、电力系统故障、偶发的自然灾害以及系统之间的交互作用也会产生瞬态冲击,由于阻抗失配导致反射振荡,影响同一电网下的所有设备。

按照ANSI/IEEE C62.41.1的规定,设备在电网中的接入点分为三个位置类别,由室内至室外依次为A类、B类及C类,设备承受的瞬态冲击强度和所处的位置有关。

A类位置:输出电路和长分支电路

  • 所有远离 B 类 10m(30 英尺)位置的电路
  • 所有远离 C 类 20m(60 英尺)位置的电路

B类位置:馈线和短分支电路

  • 配电箱装置
  • 总线和馈线分配
  • 与进线口具有“短”连接的大型电器插座
  • 大型建筑物照明系统

C类位置:外部及进线口

  • 从电线杆到建筑物的架空进户线
  • 仪表和配电箱之间的线路
  • 建筑物之间的架空线路
  • 水泵的地下线路

 

4. 差模和共模干扰

差模干扰(Differential-mode Interference),定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差,干扰信号在两个导体之间传输,属于对称性干扰。在灯具系统中,差模干扰指电源线之间传输的线对线干扰。

共模干扰(Common mode Interference),定义为任何载流导体与地之间的不希望有的电位差,干扰信号在导体与地线之间传输,属于非对称性干扰。在灯具系统中,共模干扰指电源线与地线之间传输的线对地干扰。

 

5. 设备要求

5.1 对电源供应器的要求

AC电源选用可编程交流变频稳压器,用来给待测设备提供工作电压,其输出电压范围应能覆盖样品的额定电压值,功率容量至少大于待测样品的10倍。也就是说,如果待测设备的功率为100W,那么AC电源的输出功率应不低于1KW。

5.2 对振铃波发生器的要求

振铃波发生器用来产生振铃波瞬态干扰信号,通过耦合网络叠加在供电电压上,并输出至待测设备。振铃波信号发生器的原理图如下所示:

标准的振铃波信号波形如下图所示,如果产品标准中没有特别规定,测试至少施加5个正极性和5个负极性瞬态脉冲,瞬间间隔至少1s。

  • 开路电压:指第1个波峰的峰值,测试电压由振铃波信号的第1个峰值来定义
  • 上升时间:5μs±0.15μs,指第1个波形的上升沿达到峰值的10%和90%所用的时间差
  • 振铃频率:100 kHz±20 kHz,指初始波峰之后的第1个和第3个过零点计算得到的频率
  • 电压幅值:第2个波峰值是第1个波峰值的40%~90%;第3和第4个波峰值分别是第2和第3个波峰值的40%~80%;第4个及后续波峰的振幅远远小于初始波峰,不做具体要求

 IEC61000-4-12将测试电压分为五个等级,其中1-4级是固定值,X级由制造商自定义,可以是其他等级以外的任意电压值。为适应不同的产品规范,通常要求振铃波信号发生器的开路输出电压在250V-6000V之间可调。按照能源之星规范的要求,测试电压施加在电源输入端口,电压等级为2.5KV。

ANSI/IEEE C62.41.1根据设备的位置分类规定了不同的短路电流,因此振铃波发生器应具有输出阻抗选择开关。

  • 对于A类位置,至少133A,开路电压和短路电流的比值(有效阻抗)Vp /Ip为30R
  • 对于B类位置,至少333A,开路电压和短路电流的比值(有效阻抗)Vp /Ip为12R

振铃波发生器还应配备去耦合网络,以便将脉冲信号隔离在测试现场,避免对同一供电线路中的其他设备产生干扰。

 

6. 测试方法

 

美国能源之星要求灯具应能满足ANSI/IEEE C62.41.1-2002 和ANSI/IEEE C62.41.2-2002 的A类运行环境的要求,测试时施加的7次100kHz 2.5kV的振铃波冲击,包括共模和差模两种模式。

目前,市面上有多个品牌的振铃波发生器销售,不同厂家的设备在操作上可能存在一些差异,以下是通用的测试步骤:

  • 在待测样品下方放置绝缘支撑
  • 将交流电源供应器、振铃波发生器和待测样品依次连接好,其中振铃波发生器与待测样品之间的连接线不能超过1m
  • 依次打开AC电源和振铃波发生器的电源开关,等待设备预热完成
  • 进入振铃波发生器的控制界面,设置好冲击次数、间隔、模式等参数
  • 将AC电源的输出设置为待测样品的额定电压和频率,按下“输出”键,样品上电工作
  • 按下振铃波发生器的“测试电压” 键,缓慢调节至规定的测试电压值
  • 按下振铃波发生器的“启动”键,开始测试
  • 测试完成后,按下振铃波发生器的“复位”键,将测试电压归零
  • 关闭AC电源的输出,样品断电停止工作

对于带有光线感应、通断开关、联网控制等功能的灯具,在正式测试前应将其设置为上电即进入最大功率状态。

在测试过程中,振铃波信号按设定的时间间隔对灯具进行冲击,常见的灯具表现有以下几种情况:

  • 正常。产品在测试期间,灯具一直处于正常点亮的状态,没有出现任何可察觉的变化。
  • 眨眼。测试过程中,当振铃波骚扰信号施加后,灯具短暂熄灭或亮度短暂下降,通常伴随有跳火响声。这类现象主要是铝基板边缘的爬电距离不够、焊点拉尖或导线表皮破损等原因导致瞬间闪络引起,严重时会造成铜箔拉弧烧蚀。
  • 亮度明显变化或持续闪烁。测试过程中或测试结束后,灯具持续闪烁或亮度出现明显变化。对于多灯头的轨道灯、卫浴灯、枝形吊灯等,常见一个或多个灯头熄灭或变暗;对于使用COB光源的灯具,常见COB发光面局部变暗;对于DOB灯板,常见一个或多个LED回路变暗或熄灭;对于智能灯具,常见色温变化或颜色紊乱。
  • 宕机。测试过程中,灯具完全熄灭且维持此状态至测试结束。

 

7 . 结果判定

对于经历振铃波冲击测试后的样品,为方便技术人员快速定位缺陷位置,通常按照样品的功能丧失或性能劣化程度分为4个级别:

  • A级,测试完成后,所有的产品功能均正常、性能参数也在技术要求的限值之内。
  • B级,产品在测试期间功能丧失或性能下降(例如眨眼、亮度或颜色变化、宕机等),在测试完成后无需干涉即能恢复正常。
  • C级,产品在测试期间功能丧失或性能下降,在测试完成后需要干涉(例如重置电源开关或遥控装置)才能恢复正常。
  • D级,产品测试完成后,因硬件或软件损坏,或数据丢失而呈现永久性的功能丧失、性能下降或参数劣化,即使施加干涉也不能恢复。通常表现为工作异常(例如熄灭、持续闪烁、亮度变化)、电气参数出现较大变化(例如功率因数变差、启动时间变长)或丧失部分功能(例如硬件损坏或数据丢失等因素导致的网络控制功能失效)。

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