电气安规测试研究

电气安规测试研究 摘 要：本文介绍了电器产品电气安规的四类测试方法，并针对我司电动车的电气安规测试 项目提出相关建议。 [关键词] 接地电阻（接地保护） 绝缘耐压（介电强度） 绝缘电阻 泄漏电流 Abstract: This article introduces the four electrical safety testing methods： protective grounding test 、insulation、withstanding voltage and leakage current . In order to test our electric vehicles -safety specifications，some testing methods is suggested in this paper. [Keywords] Protective grounding test Insulation Withstanding voltage Leakage current 1. 电气安规简介 如何限制危险电压，保护使用者的安 全？产品设计需要保证使用安全，电气安规 测试可以验证产品安规的设计。 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 一：绝缘隔离。在电路板与外壳之 间进行绝缘处理，当使用者接触外壳时（例 如控制面板等），人体电阻与绝缘电阻一起 串联在回路中，如图 1 所示。因为人体电阻 为几 kΩ，绝缘电阻一般为 MΩ级别，故只 有非常小的电流通过人体。安全测试 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 中 针对此类保护措施，采用绝缘耐压和绝缘电 阻测试来验证设计。 图 1 绝缘隔离示意图 方案二：接地放电。将产品外壳与地低 电阻连接。当人体接触外壳时，人体电阻与 接地电阻形成并联，由于接地电阻为 mΩ级 别，故只有很小电流通过人体。安全测试规 范中针对此类保护措施，采用接地电阻测试 来验证设计。 图 2 接地放电示意图 如果我们在实际使用中受到触电冲击， 其电流会是多少量级？如何测量？泄漏电 流：当人体或动物接触一个或多个装置的或 设备的可触及零部件时，流过他们身体的电 流。从中可以看出泄漏电流不是将电流表串 入回路即可，而是需要将人体的阻抗模型串 联进行测试。安全测试规范中针对此情况， 采用泄漏电流测试来验证设计。 图 3 泄漏电流测试示意图 IEC60990首先介绍了电流对于人体的 影响（主要来自IEC60479-1 及其它一些出 版物，其中IEC60479-1 对应于GB/T 13870.1）。随着电流的增加。电流对人体的 作用分为4 个不同的反应等级。 1) 感知（Perception）：即感知阈，通过人体 能引起任何感觉的最小电流值，大约几个μ A。 2) 反应（Startle reaction）：这个级别的电流， 会让人感觉不舒服，导致推离或反抗。通常 认为这个阈值在低频时为0.5mA，并且随着 频率的升高，人的神经系统的敏感性下降， 阈值相应的升高。 3) 摆脱（Muscle tetanization、Ventricular fibrillation）：这个等级的电流会使受到电击 的人由于神经功能的破坏而失去摆脱电源 的能力。摆脱阈的平均值为10mA，同样摆 脱阈也随频率的升高而升高。心室颤动≥ 20mA。 4) 电烧伤（Electrical burns）：在这个等级， 皮肤或组织会被破坏，与其他的影响不同， 电烧伤对电流而不是频率敏感，电烧伤的阈 值被认为是电流密度达到3 0 0 m A / c m 2 到400mA/cm2。一般电流值≥70mA。 图 4 泄漏电流 IEC、UL 各级别限制 2 产品电气安规测试方法 2.1 设备等级介绍 I 类设备（Class I）保护措施为基本绝 缘+接地。基本绝缘防护危险电压由电路板 直接加至外壳，当基本绝缘失效时，危险电 流经过接地线，保护人体不受伤害。当然附 加绝缘也经常应用在 I 类设备中，例如图 5 中的电机轴或者一些电路板电源外部输出 端需要进行附加绝缘。只要设备为接地保护 连接，即为 I 类设备。 图 5 I 类设备示意图 Ⅱ类设备（Class II）保护措施为基本绝 缘+附加绝缘，为双重绝缘。如图 6 所示， 在Ⅱ类设备中一些部件采用加强绝缘，例如 电机的输出轴。加强绝缘是指对带电件所加 的单独绝缘系统，其防触电等级相当于双重 绝缘。 图 6 Ⅱ类设备示意图 2.2 接地电阻测试 目的：亦称接地连续性测试, 接地测试 必须对所有一类产品（Class I）进行。 测试 的目的是保证产品上的所有在单一绝缘失 效的情形下会变成带电体，并且可以被使用 者接触到的导电性部件被可靠连接到电源 输入的接地点。 换句话说, 一个接地测试使 用大电流的低电压源加到接地回路来核实 接地路径的完整性。 通过测量连接在保护接地连接端子或 接地触点和零件之间的阻抗来判断是否符 合标准要求, 阻抗不超出产品安全标准确定 的某个值则认为是符合要求的。 一定要记 住, 从结构和设计观点来看, 用做保护接地 的导体不应该包含任何的开关或保险丝。一 般我们认为危险电压暴露终端为产品金属 外壳及固定螺栓。按照此定义将会有很多测 试点，一般按照厂家规定的几个易出现接地 故障的测试点进行测试。 图 7 接地电阻测试示意图 测试要求：大多数标准对于进行接地测 试提出下列的参数要求： 1）被测设备（EUT）必须承受高一定时间 的直流或交流电流但是电压要很低。 2）在保护接地连接端子或接地触点和被接 地零件之间的电压降必须被测量。 3）电阻必须使用通过的电流和产生的电压 降来进行计算（欧姆定律）。 阻抗不应该超出某个值，不同的的安全 标 准 可 能 要 求 不 同 的 值 。 例 如 , IEC 60950-1 要 求 测 试 电 压 不 超 出 12 V 。 电流可能是交流或直流，产品额定 电流的 1.5 倍或 25 A（二者选择比较大 的）。 测试持续时间必须是 1 分钟, 并且连接 在保护接地端子或接地触点和必需被接地 的零件之间的阻抗不能超出 0.1Ω ，不包括 电缆的阻抗。多数标准要求在 25 A 下测试 并且维持 1 分钟，这代表过流保护设备能承 受的最大的电流和最久的操作时期。 最大值 25 A 大约是为多数额定点流不超过 16 A 的 线连接可插入 A 型设备安装保险的额定值 的 1.5 倍。 2.3 绝缘耐压测试 目的：电介质强度测试, 亦称 hipot 测 试, 大概是最多人知道的和经常执行的生产 线安全测试。实际上，表明它的重要性是每 个标准的一部分。 hipot 测试是确定电子绝 缘材料足以抵抗瞬间高电压的一个非破坏 性的测试。 这是适用于所有设备为保证绝缘 材料是足够的的一个高压测试。 进行 hipot 测试的其它原因是, 它可以查出可能 的瑕疵譬如在制造过程期间造成的漏电距 离和电气间隙不够。 进行型式测试的时候, hipot 测试是在 某些测试（譬如失效, 潮态及振动测试）之 后进行来确定是否因为这些测试造成绝缘 的退化。但是，日常生产进行的 hipot 测 试, 是制造过程中的测试来确定是否所生产 的产品的结构是与型式测试所用产品的结 构相同。 一些由生产流程造成的缺陷可以通 过在线 hipot 测试检查出来，例如, 变压器绕 组电气间隙和爬电距离减小。 这样的故障可 能起因于绕线部门的一名新操作员。 其它例 子包括检查绝缘材料的针孔瑕疵或发现一 个过大的焊点。 测试要求：高压通常是应用的在横跨被 测试绝缘材料的二个部件之间, 譬如测试设 备（EUT）的一次侧电路（Primary Circuit） 和金属外壳。 如果绝缘材料在两个部件之间 是足够的, 那么加在两个由绝缘体分离的导 体之间的大电压只能产生非常小的电流流 过绝缘体。 虽然这个小电流是可接受的, 但 是空气绝缘或固体绝缘不应该发生击穿。 因 此, 需要注意这个电流是因为局部放电或击 穿的结果, 而不是由于电容联结引起的。交 流 hipot 测试仪存在一个小弊端，那就是如 果被测试的电路中有大容量的 Y 电容, 可能 会因为 hipot 测试器的电流限值设置, 可能 造成 ac 测试仪显示测试失败而实际上绝缘 并没有击穿。 多数安全标准允许用户断开 Y 电容器进行测试 , 或者选择使用直 流 hipot 测试仪。 直流 hipot 测试仪不会因 为大容量 Y 电容的存在而显示失效，因为 Y 电容器对于直流电压不会有电流通过其 本身。 另外一个例子是对介于电源的一次 （Primary）和二次（Secondary）电路之间 的绝缘材料进行测试。 这时所有输出短接在 一起。 耐压测试仪的接地探针与短接在一起 的输出相连, 同时高压探针与 L 和 N 连接（L 和 N 短接） (参见图 8) 。在 hipot 测试期间 EUT 不工作。 必须注意, 在进行型式测试期 间, 理想的情况是先加低于规定的电压的 1/2, 然后逐渐上升，并且在 10 秒中达到规 定电压，并且维护 1 分钟。 然而，大多数测 试仪器, 直接输出规定电压或使用一个电子 控制线路来实现电压的爬升。 图 8 典型耐压测试连接图 测试持续时间：如果测试是代表认证过 程的一部分, 那么测试持续时间必须是所使 用的安全标准相符合。 例如,多数标准, 包括 IEC 60950 , 测试持续时间是 1 分钟。 但 是, 当在生产线对产品进行测试, 通常对每 个产品进行 1 分钟 hipot 测试是不实际 的, 制造商通常会缩短测试时间, 譬如几秒 钟, 但是使用更高的电压。 一个典型的经验 为 110-120% （2xU + 1000 V）, 1-2 秒。 测 试持续时间和程序应该得到相关测试机构 的同意。 2.4 绝缘电阻测试 目的：绝缘电阻测试是亦称 Megger（高 阻） 测试。 目的是将测量任何由绝缘材料 分隔的二点之间总电阻。因此，测试确定绝 缘材料在抵抗电流流过的时候具备多少效 用 。 测 试 时 使 用 的 电 压 通 常 是 500~1000Vdc，因此，电流非常低。由于电 流很低, 这个测试为检查绝缘材料的质量是 有用的，不仅是在产品制造的时候, 而且在 产品使用的时候同样适用。 测试要求：连接到测试仪, 测试电压从 零逐渐上升到最大值（通常情况下是 500 V dc）。 一旦电压到达最大值, 保持一个 时间 (通常是 5 秒) ，然后记录电阻值。测量 值应该是非常高的(通常在兆欧级) 。绝缘电 阻的测量在某些标准中是强制要求的，如 IEC60950-1 和 UL6500。 绝缘电阻及绝缘耐压测试为验证基本 绝缘、附加绝缘、加强绝缘及双重绝缘的绝 缘性能。主要的测试点如下，见图 9： 1）在电源供给线与接地外壳之间。此主要 是检验 I 类设备的基本绝缘性能。 2）在电源供给线与非接地外壳之间。此主 要是测试 I 类设备中为非接地的部分，以及 Ⅱ类设备的外壳绝缘性能。I 类设备中为非 接地部分需设计为附加绝缘或加强绝缘，Ⅱ 类设备的外壳为双重绝缘。故此项考察设备 的附加绝缘、加强绝缘、双重绝缘性能。 3）在外壳与绝缘部分。验证基本绝缘部分 的绝缘性能。 图9 绝缘耐压、绝缘电阻测试点示意图 2.5 泄漏电流测试： 目的：某些标准，包括 IEC60950-1，把 泄漏电流（Leakage Current）命名为接触电 流（Touch Current）。就是说，当一个人或 者动物接触到设备的可接触部分的时候，流 过人体或者动物体的电流。如果接触电流过 大，那么操作者将会遭受电击，可能导致严 重的伤害，这和人的体重有关系。通常的， 超过 1.0mA 的电流流过人体，就能够造成电 击伤害。伤害的严重性和电流的大小及人的 体重有关。 和其他测试相似，泄漏电流的测试也是 安全测试中非常重要的一项，大多数安全标 准要求在不同的条件下进行测试，例如正常 操作条件下，开关打开及关闭，电源线极性 对调等。测量到的对地泄漏电流在任何条件 下都不可以超过限制。IEC 60335‐2005中，I 类便携式器具的泄漏电流的限值是0.75mA。 IEC 60335‐2005中，II类器具的泄漏电流的限 值是0.25mA。  造成泄漏电流的最大一个贡献者就是 跨接在火线和地之间的电容，如Y电容。这 些Y电容通常是为了控制EMI而加入到线路 中的。需要指出的是，在某些标准中，如 IEC60950-1，仅对一类驻立式设备允许对地 泄漏电流超过3.5mA，同时需要满足 IEC60950-1，章节5.1.7的条件。必须考虑变 压器中的任何容性泄漏电流。如果因为某种 原因，使用隔离变压器是不可能的，那么被 测设备（EUT）必须被安装在绝缘的台子上， 同时加上适当的安全警告。这样的测量是弥 补被测设备（EUT）带有危险电压的可能。 测试要求：大多数标准，特别是IEC60950， 要求测试设备（EUT）是上电的状态。测试 设备的供电电压是额定值的上限的110%， 同时频率为最高的额定频率。如前面提到 的，为了安全的因素，强烈要求使用隔离变 压器来进行测试。这些测试对一类（Class I） 和二类（Class II）设备同样适用。对于二类 设备，对可接触的导电部件和外壳（使用 10x20cm的金属膜来接触外壳表面）进行测 试。这个金属膜模拟人的手。表1、图10为 IEC60990对灯具的测试方法。  表 1 泄漏电流测试程序 e 为接地保护开关，其断开时模拟接地 保护回路异常断开；n 为中性线开关，其断 开时模拟中性线故障断开；P 中 1、2 分别 为极性互换。 图 10 泄漏电流测试示意图 3 电动车电气安规测试方法 3.1 绝缘电阻 GB/T  18384.1  主要规范的是动力电池 的绝缘电阻，要求>100Ω/V。GB/T  18384.3 中规定的是动力系统、车辆电底盘、辅助电 路的绝缘电阻和绝缘耐压：应在整个测量阶 段定时测量绝缘电阻。在下列带电部件之间 使用适当的测量仪器(例如:兆欧计)进行测 量:—  动力系统和车辆电底盘; —  动力系统和辅助电路。  使用一个至少为动力系统标称电压1.5  倍的试验电压或500V (DC)电压.两者取较高 值施加电压的时间应足够长，以便获得稳定 的读数。动力蓄电池和辅助蓄电池应断开， 辅助电路的两端应与车辆电底盘相连。动力 系统的绝缘电阻值应符合表2的要求。  表 2    绝缘电阻的要求  其中动力系统为动力电池的正、负极缆 线，车辆电底盘为车载低压蓄电池的负极； 辅助电路为车用电器的外壳。  3.2 绝缘耐压 耐压试验：试验前应断开动力电池，并 把其他电路与电底盘连接在电路的不同区 段和外露可导电部件之间施加频率为 50‐60  Hz的交流电压，历时 1 min。如果电底盘和 带电部件之间，有的电子元件不能承受试验 电压，见表 3，则可以将他们从试验电路中 取下。试验期间不能发生绝缘材料的击穿或 跳火。      表3    绝缘耐压的要求    其中其他电路为12V电路的正负极，将 蓄电池的正负极接线端子一起与电底盘连 接；电路的不同区段（带电部件）为动力电 池的正负极配电通道、充电口火线、零线通 道。测试这些通道不同区段与电底盘之间的 绝缘性能。  3.3 接地电阻 GB/T 18487.2  中规定，所有外露导电部 分和接地回路间的电阻不应超过0.1Ω，使用 电源电压不低于12V，16A的直流来检验。测 试点应为接地线与车身所有外露部分，建议 车型定义关注点进行测试。  另，在GB/T 18384.3  中电位均衡试验： 用一个不超过60v (DC)的无负载电压，动力 电路最大电流的1.5倍或25A  的电流(取其较 大值)通过任何两个外露可导电部件，至少 5s，测量其电压降。根据电流和电压降计算 得到的电阻值不超过0.1Ω。  3.4 泄漏电流 GB/T  18487.2  中规定，如图 11 测试， 泄漏电流不应超过 3.5mA。该图针对的是 II 类设备，且示意图有一定误解。    图 11    泄漏电流测试示意图  针对我们公司车型充电模式，II 类设备 的泄漏电流测试应该在非充电状态下进行， 其分为三类模式：1、动力线缆破损，人体 接触破损处；2、动力缆线破损处与电底盘 接触，人体接触电底盘相关部位（例如车身、 产品外壳）；3、人体一端接触动力缆线破损 处，一端接触电底盘（此时电底盘与动力缆 线应为绝缘状态）。 针对此项测试，我们认为还需增加几个 状态：1、人体接触车身两处（可分动力缆 线正常、异常状态）；2、单根动力缆线断开。 我们公司车型充电模式，应等同于 I 类 设备，因为有电底盘与地线连接。其测试方 法建议为参考表 1 带插头的 I 类测试。且也 建议增加人体接触车身两处的测试模型。 4 总结 电气安规测试项目，针对零部件产品有 四类试验：接地电阻（仅针对 I 类）、绝缘 耐压、绝缘电阻、泄漏电流。而用在我们电 动车中，也应该有此四类试验，才能保证用 户使用安全，故一些国标针对接地电阻规定 了动力系统导电性、外露部分与接地回路的 接地电阻；针对绝缘电阻及绝缘耐压规定了 动力电池的绝缘电阻及动力系统的绝缘电 阻和绝缘耐压；针对泄漏电流国标的推荐测 试项目定义不清，建议考虑公司产品实际情 况进行测试。 电气安规测试分为零部件及整车类，零 部件的测试要求值一般高于整车测试要求， 电动车整车安规测试分为充电系统的安全 要求及非充电状态的安全要求。只有各类电 气安规都满足要求，才能保证用户的使用安 全。 参考文献 【1】GB／T 18384.3 电动汽车 安全要求 第 3 部分：人员触电防护，2001 【2】陈凌峰，IEC 60335-1 泄漏电流测试分 析，标准与应用 ，2007 【3】陈超中，灯具的泄漏电流测试概论， 国家灯具质量监督检验中心