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RECOM 電源系統的過電壓類別

RECOM 電源系統的過電壓類別

2021/7/15 9:36:25

市電供電電氣設備的工作環境根據浪涌保護等級分為四個過電壓類別(OVC)。本文將介紹這四個類別的不同之處,以及在某些情況下如何在OVC III使用原本額定為OVC II的AC/DC電源。

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大多數市電供電設備的用戶都相信,只需將設備插入使用方便的插座,設備就可以安全且可靠地運行,而嚴格的強制性電源國際標準也支持這個概念,即使安裝在其他設備里的模塊化產品也要達到最低級別的電氣隔離和電磁兼容性,包括對電壓浪涌和瞬變的抗干擾能力。

事實上,在家里、辦公室或工廠的任何地方,市電都來自壁式插座,提供的應該是相對干凈的市電電源,不會產生不正常的瞬態電壓而損壞終端設備。但是隨著建筑內的電氣設備通過基礎設施布線經過配電板最終連接到交流電源,來自外部產生的過電壓事件會逐漸增加,例如雷擊或公用事業網絡上安裝的負載突降,這些都是風險。

環境中的過電壓

在一些應用中,單相或多相AC/DC電源永久連接到中央配電盤,例如電動汽車的家用充電器或DIN導軌安裝電源。相較于插入式電源,較為嚴重的瞬變幅度和能級要求這些位置上的電源轉換器要有額外的過壓保護。

國際標準IEC 60664-1《低壓系統內設備的絕緣配合》定義了四個類別,分別為OVC I至OVC IV,如表1所示。

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表1:IEC 60664-1:2020的過電壓類別

OVC I是通過隔離電源與下游電路連接的設備,例如筆記本充電器提供DC給計算機,而OVC IV則是直接連接到主輸入電源的設備(圖1)。

這代表建筑物中大多數的電源供電設備都屬于OVC II和OVC III。簡而言之,OVC II包括所有配有插頭的家庭、車間和辦公設備,分別由保險絲或斷路器保護著。OVC III主要是指安裝在開關柜或配電箱內部的連線設備,例如繼電器、斷路器和固定安裝電源。

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圖1:從OVC IV到OVC I環境的示意圖

特別討論到雷電防護時,IEC 62305-1標準定義了與OVC IV至I對應的LPZ 0至LPZ3的防護區。電涌保護器(SPD)的標準IEC 61643-11也與防護設備I、II和III類以及 LPZ 0、1和2的定義相關聯。

IEC 61643-11標準還定義了為了證明抑制裝置的有效性所需的測試波形,例如由直接雷擊產生的10/350μs瞬態以及間接雷擊(感應雷)或大氣放電產生的8/20μs + 1.2/50μs組合。

要預防所有種類的浪涌事件就必須使用一個多級抑制系統(圖2)。

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圖2:IEC 60664-1 過電壓類別對應到IEC 62305-1防護區和IEC 61643-11防護設備類別

這些安裝規范通常要求具有使用壽命終止指示(聽覺或視覺)以告知用戶SPD已被高能量或反復的雷擊所損壞。

過電壓類別的差異

不同OVC的設備必須承受在低壓配電網絡上與瞬態電壓對應的各種脈沖電壓。

IEC 60664-1在這方面提供以下信息(表2):

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表2:不同系統電壓和OVC的額定脈沖電壓

必須注意的是,表2呈現的值是基本絕緣的額定1.2/50μs峰值脈沖電壓。雙重絕緣或加強型絕緣則使用較高的電壓類別。例如,300Vrms OVC II的加強型隔離需要達到4000V脈沖電壓的等級。

但是在進行符合性測試時還是必須考慮到工作海拔高度。表2給出的脈沖測試電壓值是預設在2000m,在更低的海拔高度時該值會增加。因此海平面的電壓值會從4000V增加到4923V。IEC 60664-1的表F.5列出了相關的校正系數。

另一方面,越高的高度所需的最小電氣間隙也越大。 例如,2000m的電氣間隙的海拔校正系數為1.00,但在5000m時增加為1.48。IEC 62109-1的表F.1列出了相關的校正系數。

OVC III電源需要加強安全屏蔽

OVC III電源比常見的OVC II電源需要更高的耐壓規格和更大的電氣間隙。為了滿足這些要求,可以使用隔離變壓器將瞬態降到OVC II水平,但這通常是一個不便且昂貴的解決方式。更好的解決方案是設計一個可以在OVC III環境中可直接連接使用的電源。

AC/DC電源設計的其中一個重點是必須大幅增加線路和器件之間的電氣間隙。在OVC II環境中使用基礎隔離AC/DC產品,4kV的隔離柵需要至少3. 0mm的電氣間隙。而在OVC III環境中,由于脈沖電壓增加到6kV,因此電氣間隙至少要達到5.5mm(IEC 60664-1標準之表F1和F2)。但是大多數AC/DC轉換器具有增強隔離柵。標準要求使用「對應到下一個最高脈沖電壓的值」。這意味著加強型隔離轉換器在OVC II和OVC III環境中分別需要5.5mm和8.0mm的間隙。

IEC 60664-1和IEC 61558-1還規定了50/60Hz的介電強度測試電壓,可以設定與脈沖測試的一樣高。例如,IEC 61558-1要求300Vrms工作電壓和OVC III/加強絕緣的介電測試電壓為4200Vrms = 5938Vpk,未指定海拔高度(IEC 61558-1標準之表14)。這跟要求2000m高度為6kV 的IEC 60664-1脈沖測試值類似,只是一個是測試60秒的介電強度,另一個則是測試短時間內的瞬態脈沖電壓。

最合適電源轉換器的安全標準取決于實際應用。在OVC III環境中使用的產品通常最適合IEC 61558-1《安全的電力變壓器、電源、反應堆和類似組合產品》的標準。該標準的附件R引用了IEC 60664-1的脈沖測試電壓等級。幸運的是,IEC 61558-1的安全電氣間隙要求與IEC 60664-1的要求相同。兩個標準都在2000m以上使用了相同的海拔校正系數。

用戶也可以為OVC III的產品選擇IEC 62477-1 《電力電子轉換器系統和設備的安全要求》的標準。該標準一樣引用了IEC 60664-1的脈沖值、爬電距離和電氣間隙、介電測試電壓和海拔校正系數。

IEC 61010-1《測量、控制和實驗室用電氣設備的安全要求》的標準最適合OVC III環境的測試和測量設備。該標準規定300Vac加強隔離的間隙距離為6mm(IEC 61010-1標準之表K.3),而IEC 60664-1的標準為8mm,海拔校正系數則相同。但是,IEC 61010-1的其他測試要求更苛刻。例如,在300Vrms的OVC III環境中,加強固體絕緣的脈沖電壓測試為6400V(IEC 61010-1標準之表K.6),與IEC 60664-1標準中規定的6000V脈沖電壓測試不同。

通用的安全標準IEC/EN/UL 62368-1《音視頻、信息技術和通信技術設備的安全要求》參考了IEC 60664-1的OVC III和OVC IV環境要求。 過時的IEC 60950-1要求300Vrms/OVC III具有6mm的電氣間隙(IEC 60950-1標準之表2H),與IEC 61010-1的規定相同,但現在替代的IEC 62368 -1跟IEC 60664-1相符合,將間隙要求提高到8mm。

醫療級AC/DC有可能符合OVC III的要求

RECOM提供符合OVC III要求的電源,例如板載RAC05-K/480轉換器(圖3),輸入電壓范圍為85-528VAC,適用于單相電源和三相400/480VAC線對線或線對零線連接。該系列具有5W輸出功率和4kVac加強型隔離性能,是一款II類電源(無接地連接),無需任何外部器件即可滿足工業安全和EMC要求。

RAC05-K/480系列提供5V、12V或15V DC輸出,非常適合苛刻的OVC III工業環境的設備,例如智能電表、再生能源或IoT應用。

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圖3:RECOM的RAC05-K/480 AC/DC轉換器適合OVC III環境

另一種OVC III應用是使用醫療安全等級的器件。滿足240Vac系統2級患者保護措施(MoPP)要求的電源同時也符合OVC III介電強度和爬電/電氣間隙的標準,分別為4kVrms和8mm。即使醫療級電源可以承受50/60Hz 4kVrms介電強度測試,但符合IEC 61000-4-4標準3級(+/-2kV峰值)只能滿足OVC II對快速瞬態抗擾的要求。為了將瞬態抗擾度提高到OVC III的等級需要一個外部浪涌抑制器。通常是在電源上安裝一個金屬氧化物壓敏電阻加上一個適當的輸入保險絲或限流裝置,以在電路短路時提供必要的保護。

RECOM AC/DC醫療級電源分別為RACM40-K、RACM60-K、RACM230-G和RACM550-G系列,提供板載和有外殼安裝的選項(圖4)。

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圖4:RECOM精選醫療級認證AC/DC電源

醫療級電源如果要在可插拔的應用上使用就必須在交流電源輸入端加上雙保險絲,然而工業、辦公室或家庭環境的其他標準可能會明確禁止這樣做。因此在選擇符合OVC III要求同時也會用在其他應用如工業控制的醫療電源時,中性保線絲可能需要換成更高的值以確保線路保線絲會先熔斷。由于醫療級電源被預期永久使用,因此只有一個火線保險絲。

可應要求定制適合OVC III環境固定裝置的非醫療級版本。

OVC III電源的簡單解決方案

過去可能很難找到可以安裝在OVC III環境中又經濟的AC/DC電源,但是現在有越來越多的制造商可以提供,例如RECOM。與制造商的技術支持團隊進行討論之后可能會發現,由于醫療級產品已經符合較不嚴格的工業安全標準,因此只需通過簡單的修改就可以滿足OVC III的要求。

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王靜
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