IEC 62368-1受限制短路試驗的豁免設(shè)計

朱乃榕

摘要：IEC 62368-1基于IEC 60950-1基礎(chǔ)，對保護(hù)連接導(dǎo)體新增附錄R受限制短路試驗，旨在驗證過流保護(hù)裝置有效性。受限制短路試驗具有電流能量大、操作復(fù)雜等特點(diǎn)難以實施。為降低測試成本，文中提出3種設(shè)計方案，既能夠保障設(shè)備防電擊絕緣性能，又合理地豁免考核。

關(guān)鍵詞：IEC 62368-1;受限制短路試驗;保護(hù)連接導(dǎo)體;過流保護(hù)裝置;豁免設(shè)計

Design to Exempt Limited Short-circuit Tests in IEC 62368-1

ZHU Nai-Rong

（Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality， Fuzhou 350002， Fujian， China）

Abstract： On the basis of IEC 60950-1， IEC 62368-1 adds Appendix R limited short-circuit test to the protective bonding conductor to verify the effectiveness of the overcurrent protective device. The limited short-circuit test has the characteristics of large current energy and complicated operation， which is difficult to implement. In order to reduce the cost of testing， the author proposes three design schemes， which can not only guarantee the insulation performance of the equipment against electric shock， but also reasonably exempt the assessment.

Key Words： IEC 62368-1; Limited short-circuit test; Protective bonding conductor; Overcurrent protective device; Design to exempt

1引言

我國即將發(fā)布已重新起草修改采用的IEC 62368-1：2018 《Audio/video， information and communication technology equipment – Part 1： Safety requirements》[1]新國家標(biāo)準(zhǔn)，旨在代替現(xiàn)行GB 4943.1/IEC 60950-1《信息技術(shù)設(shè)備 安全 第1部分：通用要求》[2]和GB 8898/IEC 60065《音頻、視頻及類似電子設(shè)備 安全要求》。

IEC 62368-1：2018在GB 4943.1/IEC 60950-1測量I類信息技術(shù)設(shè)備保護(hù)連接導(dǎo)體尺寸和阻抗的基礎(chǔ)上，新增附錄R的1500A受限制短路試驗。該項目考核難度大，很多已獲證GB 4943.1/IEC 60950-1的產(chǎn)品通過率低。為提升認(rèn)證速度，筆者對該項目深入解讀，提出3種豁免設(shè)計方案供參考。

2受限制短路試驗的目的及難點(diǎn)

2.1受限制短路試驗?zāi)康?/p>

Ⅰ類設(shè)備是使用基本絕緣作為基本安全防護(hù)，同時使用保護(hù)接地和保護(hù)連接作為附加安全防護(hù)的設(shè)備。保護(hù)接地導(dǎo)體是將設(shè)備內(nèi)的主保護(hù)接地端子和供保護(hù)接地用的建筑物設(shè)施的接地點(diǎn)連接起來的保護(hù)導(dǎo)體，而保護(hù)連接導(dǎo)體是為設(shè)備內(nèi)部出于安全目的需要接地的部分提供保護(hù)等電位聯(lián)結(jié)的保護(hù)導(dǎo)體。

受限制短路試驗?zāi)軌蝌炞C在由額定值不超過25A的裝置保護(hù)的電路中的保護(hù)連接導(dǎo)體與過流保護(hù)裝置允許的故障電流是適應(yīng)的，以1500A受限制短路試驗來測試附加安全防護(hù)的完整性。之所以采用1500A電流值是基于設(shè)備內(nèi)保護(hù)裝置（例如：快速熔斷器）的最高額定分?jǐn)嚯娏髦?，也基于建筑物設(shè)施中保護(hù)裝置（例如：空氣斷路器）的最低額定分?jǐn)嚯娏髦?，具備普遍性，適用絕大多數(shù)信息技術(shù)設(shè)備[3]。

如圖1所示，某款適用海拔5000m及以下、輸入電壓為AC220V/50Hz的I類電源單元，保護(hù)接地導(dǎo)體起始于電網(wǎng)電源地端，截止于器具插座地端;與保護(hù)接地導(dǎo)體相連的銅箔（連接到可觸及端子）與一次電路的電氣間隙和爬電距離僅滿足基本/附加絕緣，該銅箔被定義為保護(hù)連接導(dǎo)體，進(jìn)行受限制短路試驗后銅箔燒穿損壞，試驗未通過。

當(dāng)設(shè)備內(nèi)發(fā)生接地短路時，短路電流流過保護(hù)連接導(dǎo)體，過流保護(hù)裝置應(yīng)先于保護(hù)連接導(dǎo)體損壞前動作。若以保護(hù)連接導(dǎo)體斷開的方式來切斷故障回路，原本由基本絕緣和保護(hù)接地構(gòu)成的防電擊絕緣防護(hù)在失去保護(hù)接地后變?yōu)橹挥谢窘^緣防護(hù)，存在極大的電擊風(fēng)險。

2.2受限制短路試驗難點(diǎn)

GB 4943.1-2011規(guī)定保護(hù)連接導(dǎo)體不得有過大的電阻。若設(shè)備的保護(hù)電流額定值小于等于25A，需對保護(hù)連接導(dǎo)體施加I2t的電流能量以檢查阻抗不超過0.1Ω（I為200%保護(hù)電流額定值，t為試驗持續(xù)時間2min）[4]。假設(shè)設(shè)備內(nèi)保護(hù)裝置的保護(hù)電流額定值為4A，則保護(hù)連接導(dǎo)體需承受I2t=8A×8A×2×60s=7680A2s電流能量。

由于我國供電條件的特殊性，設(shè)備供電的相線和中性線無法做到絕對正確區(qū)分，不排除供電極性錯誤的可能性。對交流電源而言，進(jìn)行受限制短路試驗時，如果設(shè)備中僅提供一個過流保護(hù)裝置，且供電無法區(qū)分極性，則要使用建筑物設(shè)施中的保護(hù)裝置來進(jìn)行試驗，同時將設(shè)備內(nèi)部的過流保護(hù)裝置旁路。建筑物設(shè)施中的保護(hù)裝置應(yīng)具備在半個周期通過前不會切斷故障電流的特性，而實際的保護(hù)裝置動作響應(yīng)時間與其性能深度關(guān)聯(lián)，不同類型、不同型號、不同批次甚至不同運(yùn)行壽命的保護(hù)裝置動作響應(yīng)時間都有差異。

原則上，受限制短路試驗儀器的輸出電源性質(zhì)應(yīng)與設(shè)備供電的電源性質(zhì)相同。進(jìn)行受限制短路試驗前，先將試驗電源輸出短路，所測得的短路電流至少能達(dá)到1500A。再將保護(hù)連接導(dǎo)體連接到試驗電源上，且使用的電源電壓等于設(shè)備的額定電壓或額定電壓范圍內(nèi)的任意電壓。我國市電頻率為50Hz，波動周期為20ms，短路試驗電流為1500A，假設(shè)過流保護(hù)裝置脫扣時間為半個周波或以上，則受限制短路試驗對保護(hù)連接導(dǎo)體輸出電流能量的最小理論值為I2t=1500A×1500A×0.01s=22500A2s。

實際線路的阻抗可能影響試驗電源實際輸出電流略小于空載短路電流，但受限制短路試驗輸出電流能量遠(yuǎn)超過保護(hù)連接導(dǎo)體阻抗試驗電流能量的結(jié)果不受影響，且受限制短路試驗與保護(hù)連接導(dǎo)體阻抗試驗的試驗時間差異大，巨大的電流能量在一瞬間完全釋放在保護(hù)連接導(dǎo)體上。若保護(hù)連接導(dǎo)體為PCB銅箔，即使設(shè)計為承載GB 4943.1/IEC 60950-1的200%保護(hù)電流額定值，也很難撐得起1500A受限制短路試驗的不確定周期沖擊（試驗周期主要跟保護(hù)裝置性能參數(shù)有關(guān)）。因此，即使設(shè)備能滿足GB 4943.1/IEC 60950-1，也未必能通過IEC 62368-1附錄R。

如果設(shè)備的額定輸入電壓為AC220V，則試驗電源的電源容量至少要達(dá)到220V×1500A=330kVA。小型安規(guī)實驗室專門配備一臺330kVA電源（例如發(fā)電機(jī)或儲能電池組）進(jìn)行受限制短路試驗的成本很高。另外，IEC 62368-1規(guī)定受限制短路試驗應(yīng)在不同的樣品上進(jìn)行3次試驗（除非制造商上同意在同一個樣品上進(jìn)行試驗），每次試驗持續(xù)進(jìn)行到過流保護(hù)裝置動作為止。如果制造商同時提供N種保護(hù)連接導(dǎo)體方案和M種過流保護(hù)裝置備料，則總試驗次數(shù)為3*N*M，檢測費(fèi)用也將變得昂貴。

3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定與豁免設(shè)計

3.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

IEC 62368-1：2018規(guī)定，出于安全目的需要接地的部分，保護(hù)連接導(dǎo)體應(yīng)滿足如下之一的要求：

——表1的最小導(dǎo)體尺寸;或

——如果設(shè)備的額定電流和電路的保護(hù)電流額定值都不超過25A，則應(yīng)滿足如下之一的要求：

——表2的最小導(dǎo)體尺寸;或

——附錄R的受限制短路試驗。

a額定電流包括能為其他設(shè)備提供電網(wǎng)電源的輸出插座所輸出的電流。如果制造商未聲明設(shè)備的額定電流，則采用額定功率除以額定電壓的計算值。

b額定電流小于3A時，如果軟線的長度不超過2m，在有些國家允許使用標(biāo)稱截面積為0.5mm2的軟線。

c如果電源軟線的長度不超過2m，則括號中的數(shù)值適用裝有符合GB/T 17465.1的額定值為10A的連接器（C13、C15、C15A和C17型）的可拆卸電源軟線。

d如果電源軟線的長度不超過2m，則括號中的數(shù)值適用裝有符合GB/T 17465.1的額定值為16A的連接器（C19、C21和C23型）的可拆卸電源軟線。

連接保護(hù)連接導(dǎo)體的端子應(yīng)滿足如下之一的要求：

——表3的最小端子尺寸;或

——如果設(shè)備的額定電流和電路的保護(hù)電流額定值都不超過25A，則應(yīng)滿足如下之一的要求：

——端子尺寸比表3中的值小一個規(guī)格;或

——附錄R的受限制短路試驗。

a“螺釘型”是指在螺釘頭下面夾緊導(dǎo)體的、帶或不帶墊圈的一種端子。

使用符合規(guī)定尺寸的電纜和端子可以保證保護(hù)連接導(dǎo)體在遇到接地短路故障時，能夠承受瞬間大電流不損壞，故而無需考核受限制短路試驗。若使用銅箔等無法量化的導(dǎo)體來構(gòu)成保護(hù)連接導(dǎo)體，則無法豁免試驗。

3.2豁免設(shè)計

受限制短路試驗的豁免設(shè)計可以從變更絕緣類型、電纜取代銅箔、分散連接路徑三個方向入手。

3.2.1變更絕緣類型——基本防護(hù)+附加防護(hù)

變更加強(qiáng)防護(hù)

Ⅰ類設(shè)備可以具有Ⅱ類結(jié)構(gòu)，即防電擊保護(hù)依靠雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣[5]。變更絕緣類型將保護(hù)連接導(dǎo)體所連接的電路從基本防護(hù)+附加防護(hù)變更為加強(qiáng)防護(hù)。如圖2所示，將原本作為保護(hù)連接導(dǎo)體的銅箔與一次電路的空間距離擴(kuò)大，防電擊絕緣從基本絕緣+附加絕緣變?yōu)榧訌?qiáng)絕緣，維持絕緣性能且該銅箔不再作為保護(hù)連接導(dǎo)體，可以豁免受限制短路試驗，然而在電路設(shè)計上需提高相關(guān)電路的電氣間隙和爬電距離、抗電強(qiáng)度等。

3.2.2電纜取代銅箔——電纜作為保護(hù)連接導(dǎo)體

如果預(yù)期不使用銅箔來進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)，可以將電源輸入地端（例如器具插座地端）脫離設(shè)備電源板，使用合規(guī)的電纜連接器具插座地端（保護(hù)接地端）至設(shè)備內(nèi)部金屬框架（保護(hù)連接端），電纜的導(dǎo)體和端子尺寸見表1、表2、表3。也可以定義電纜作為唯一的保護(hù)連接導(dǎo)體，導(dǎo)體后端等電位聯(lián)結(jié)采用3.2.1中的加強(qiáng)絕緣設(shè)計，如圖3所示。只要保護(hù)連接導(dǎo)體尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可以豁免受限制短路試驗。

3.2.3分散連接路徑——多重路徑的保護(hù)導(dǎo)體

當(dāng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)不允許將電源輸入地端脫離電源板時，應(yīng)考慮增強(qiáng)保護(hù)連接導(dǎo)體的載流能力?？梢栽谠薪拥劂~箔進(jìn)行加厚加寬的基礎(chǔ)上，外接金屬片充當(dāng)新的保護(hù)連接導(dǎo)體通路，提高載流承受能力。如圖4所示，中電源板背面的接地銅箔增加面積、電源板正面的插座接地端外接金屬片。金屬片的橫截面積遠(yuǎn)超銅箔，即使在試驗中銅箔熔化斷開，周期內(nèi)的殘余電流能量也不足以將外接的金屬片破壞。外接金屬片充當(dāng)保護(hù)連接導(dǎo)體部分的某個路徑截面積滿足表2要求，即可通過受限制短路試驗。針對類似設(shè)計，可以考慮簡化試驗或豁免考核。

4結(jié)語

文中的3種豁免設(shè)計方案，旨在應(yīng)對IEC 62368-1：2018對I類信息技術(shù)設(shè)備的附錄R新要求?；砻庠O(shè)計并不是逃避試驗，而是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在不降低設(shè)備防電擊絕緣前提下，盡可能地降低檢測實驗室和企業(yè)成本。制造商應(yīng)考慮自身產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，進(jìn)行合理整改以迎接新國家標(biāo)準(zhǔn)的實施。

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