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电源系统的过电压类别

2021-07-16 17:54
来源: RECOM

市电供电电气设备的工作环境根据浪涌保护等级分为四个过电压类别(OVC)。本文将介绍这四个类别的不同之处,以及在某些情况下如何在OVC III使用原本额定为OVC II的AC/DC电源。

(企业供图,下同)

大多数市电供电设备的用户都相信,只需将设备插入使用方便的插座,设备就可以安全且可靠地运行,而严格的强制性电源国际标准也支持这个概念,即使安装在其他设备里的模块化产品也要达到最低级别的电气隔离和电磁兼容性,包括对电压浪涌和瞬变的抗干扰能力。

事实上,在家里、办公室或工厂的任何地方,市电都来自壁式插座,提供的应该是相对干净的市电电源,不会产生不正常的瞬态电压而损坏终端设备。但是随着建筑内的电气设备通过基础设施布线经过配电板最终连接到交流电源,来自外部产生的过电压事件会逐渐增加,例如雷击或公用事业网络上安装的负载突降,这些都是风险。

环境中的过电压

在一些应用中,单相或多相AC/DC电源永久连接到中央配电盘,例如电动汽车的家用充电器或DIN导轨安装电源。相较于插入式电源,较为严重的瞬变幅度和能级要求这些位置上的电源转换器要有额外的过压保护。

国际标准IEC 60664-1《低压系统内设备的绝缘配合》定义了四个类别,分别为OVC I至OVC IV,如表1所示。

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表1:IEC 60664-1:2020的过电压类别

OVC I是通过隔离电源与下游电路连接的设备,例如笔记本充电器提供DC给计算机,而OVC IV则是直接连接到主输入电源的设备(图1)。

这代表建筑物中大多数的电源供电设备都属于OVC II和OVC III。简而言之,OVC II包括所有配有插头的家庭、车间和办公设备,分别由保险丝或断路器保护着。OVC III主要是指安装在开关柜或配电箱内部的连线设备,例如继电器、断路器和固定安装电源。

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图1:从OVC IV到OVC I环境的示意图

特别讨论到雷电防护时,IEC 62305-1标准定义了与OVC IV至I对应的LPZ 0至LPZ3的防护区。电涌保护器(SPD)的标准IEC 61643-11也与防护设备I、II和III类以及 LPZ 0、1和2的定义相关联。

IEC 61643-11标准还定义了为了证明抑制装置的有效性所需的测试波形,例如由直接雷击产生的10/350?s瞬态以及间接雷击(感应雷)或大气放电产生的8/20?s + 1.2/50?s组合。

要预防所有种类的浪涌事件就必须使用一个多级抑制系统(图2)。

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图2:IEC 60664-1 过电压类别对应到IEC 62305-1防护区和IEC 61643-11防护设备类别

这些安装规范通常要求具有使用寿命终止指示(听觉或视觉)以告知用户SPD已被高能量或反复的雷击所损坏。

过电压类别的差异

不同OVC的设备必须承受在低压配电网络上与瞬态电压对应的各种脉冲电压。

IEC 60664-1在这方面提供以下信息(表2):

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表2:不同系统电压和OVC的额定脉冲电压

必须注意的是,表2呈现的值是基本绝缘的额定1.2/50?s峰值脉冲电压。双重绝缘或加强型绝缘则使用较高的电压类别。例如,300Vrms OVC II的加强型隔离需要达到4000V脉冲电压的等级。

但是在进行符合性测试时还是必须考虑到工作海拔高度。表2给出的脉冲测试电压值是预设在2000m,在更低的海拔高度时该值会增加。因此海平面的电压值会从4000V增加到4923V。IEC 60664-1的表F.5列出了相关的校正系数。

另一方面,越高的高度所需的最小电气间隙也越大。 例如,2000m的电气间隙的海拔校正系数为1.00,但在5000m时增加为1.48。IEC 62109-1的表F.1列出了相关的校正系数。

OVC III电源需要加强安全屏蔽

OVC III电源比常见的OVC II电源需要更高的耐压规格和更大的电气间隙。为了满足这些要求,可以使用隔离变压器将瞬态降到OVC II水平,但这通常是一个不便且昂贵的解决方式。更好的解决方案是设计一个可以在OVC III环境中可直接连接使用的电源。

AC/DC电源设计的其中一个重点是必须大幅增加线路和器件之间的电气间隙。在OVC II环境中使用基础隔离AC/DC产品,4kV的隔离栅需要至少3. 0mm的电气间隙。而在OVC III环境中,由于脉冲电压增加到6kV,因此电气间隙至少要达到5.5mm(IEC 60664-1标准之表F1和F2)。但是大多数AC/DC转换器具有增强隔离栅。标准要求使用「对应到下一个最高脉冲电压的值」。这意味着加强型隔离转换器在OVC II和OVC III环境中分别需要5.5mm和8.0mm的间隙。

IEC 60664-1和IEC 61558-1还规定了50/60Hz的介电强度测试电压,可以设定与脉冲测试的一样高。例如,IEC 61558-1要求300Vrms工作电压和OVC III/加强绝缘的介电测试电压为4200Vrms = 5938Vpk,未指定海拔高度(IEC 61558-1标准之表14)。这跟要求2000m高度为6kV 的IEC 60664-1脉冲测试值类似,只是一个是测试60秒的介电强度,另一个则是测试短时间内的瞬态脉冲电压。

最合适电源转换器的安全标准取决于实际应用。在OVC III环境中使用的产品通常最适合IEC 61558-1《安全的电力变压器、电源、反应堆和类似组合产品》的标准。该标准的附件R引用了IEC 60664-1的脉冲测试电压等级。幸运的是,IEC 61558-1的安全电气间隙要求与IEC 60664-1的要求相同。两个标准都在2000m以上使用了相同的海拔校正系数。

用户也可以为OVC III的产品选择IEC 62477-1 《电力电子转换器系统和设备的安全要求》的标准。该标准一样引用了IEC 60664-1的脉冲值、爬电距离和电气间隙、介电测试电压和海拔校正系数。

IEC 61010-1《测量、控制和实验室用电气设备的安全要求》的标准最适合OVC III环境的测试和测量设备。该标准规定300Vac加强隔离的间隙距离为6mm(IEC 61010-1标准之表K.3),而IEC 60664-1的标准为8mm,海拔校正系数则相同。但是,IEC 61010-1的其他测试要求更苛刻。例如,在300Vrms的OVC III环境中,加强固体绝缘的脉冲电压测试为6400V(IEC 61010-1标准之表K.6),与IEC 60664-1标准中规定的6000V脉冲电压测试不同。

通用的安全标准IEC/EN/UL 62368-1《音视频、信息技术和通信技术设备的安全要求》参考了IEC 60664-1的OVC III和OVC IV环境要求。 过时的IEC 60950-1要求300Vrms/OVC III具有6mm的电气间隙(IEC 60950-1标准之表2H),与IEC 61010-1的规定相同,但现在替代的IEC 62368 -1跟IEC 60664-1相符合,将间隙要求提高到8mm。

医疗级AC/DC有可能符合OVC III的要求

RECOM提供符合OVC III要求的电源,例如板载RAC05-K/480转换器(图3),输入电压范围为85-528VAC,适用于单相电源和三相400/480VAC线对线或线对零线连接。该系列具有5W输出功率和4kVac加强型隔离性能,是一款II类电源(无接地连接),无需任何外部器件即可满足工业安全和EMC要求。

RAC05-K/480系列提供5V、12V或15V DC输出,非常适合苛刻的OVC III工业环境的设备,例如智能电表、再生能源或IoT应用。

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图3:RECOM的RAC05-K/480 AC/DC转换器适合OVC III环境

另一种OVC III应用是使用医疗安全等级的器件。满足240Vac系统2级患者保护措施(MoPP)要求的电源同时也符合OVC III介电强度和爬电/电气间隙的标准,分别为4kVrms和8mm。即使医疗级电源可以承受50/60Hz 4kVrms介电强度测试,但符合IEC 61000-4-4标准3级(+/-2kV峰值)只能满足OVC II对快速瞬态抗扰的要求。为了将瞬态抗扰度提高到OVC III的等级需要一个外部浪涌抑制器。通常是在电源上安装一个金属氧化物压敏电阻加上一个适当的输入保险丝或限流装置,以在电路短路时提供必要的保护。

RECOM AC/DC医疗级电源分别为RACM40-K、RACM60-K、RACM230-G和RACM550-G系列,提供板载和有外壳安装的选项(图4)。

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图4:RECOM精选医疗级认证AC/DC电源

医疗级电源如果要在可插拔的应用上使用就必须在交流电源输入端加上双保险丝,然而工业、办公室或家庭环境的其他标准可能会明确禁止这样做。因此在选择符合OVC III要求同时也会用在其他应用如工业控制的医疗电源时,中性保线丝可能需要换成更高的值以确保线路保线丝会先熔断。由于医疗级电源被预期永久使用,因此只有一个火线保险丝。

可应要求定制适合OVC III环境固定装置的非医疗级版本。

OVC III电源的简单解决方案

过去可能很难找到可以安装在OVC III环境中又经济的AC/DC电源,但是现在有越来越多的制造商可以提供,例如RECOM。与制造商的技术支持团队进行讨论之后可能会发现,由于医疗级产品已经符合较不严格的工业安全标准,因此只需通过简单的修改就可以满足OVC III的要求。

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