某產(chǎn)品保險(xiǎn)管選型解決浪涌故障案例
1 問(wèn)題描述
某醫(yī)療產(chǎn)品在正常工作狀態(tài)下，當(dāng)對(duì)交流電源線進(jìn)行線-線±1kV/2Ω、線-地±2kV/12Ω浪涌實(shí)驗(yàn)時(shí)產(chǎn)品會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)，嘗試重新上電后仍然不能開(kāi)機(jī)，實(shí)驗(yàn)不通過(guò)。
2 故障診斷
打開(kāi)機(jī)殼，使用萬(wàn)用表測(cè)量電源電路，發(fā)現(xiàn)陶瓷保險(xiǎn)管RO54-1A斷路，重新更換保險(xiǎn)管后開(kāi)機(jī)正常，確認(rèn)浪涌損壞的為保險(xiǎn)管，如圖1所示。
圖1 浪涌損壞的保險(xiǎn)管
3. 原因分析
熔絲管俗稱(chēng)保險(xiǎn)管，其安裝在電路中，是保證電路安全運(yùn)行的電器元件。正常情況下保險(xiǎn)管在開(kāi)關(guān)電源中起到連接輸入電路的作用，一旦發(fā)生過(guò)載或短路故障，通過(guò)保險(xiǎn)管的電流超過(guò)熔斷電流，熔絲就被熔斷，將輸入電路切斷，從而起到過(guò)電流保護(hù)的作用。
對(duì)于需要做浪涌實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品，保險(xiǎn)管應(yīng)用在防護(hù)電路之前，此時(shí)需要承受瞬態(tài)浪涌脈沖電流，因?yàn)槔擞侩娏骰蛘邲_擊電流峰值很高，通常選擇慢熔性保險(xiǎn)管，普通的保險(xiǎn)管承受不了這種電流。如果使用普通保險(xiǎn)管，電路可能就無(wú)法正常開(kāi)機(jī)，如果換成大規(guī)格電流保險(xiǎn)管，當(dāng)電路中出現(xiàn)過(guò)載電流時(shí)又無(wú)法起到保護(hù)作用，而慢熔斷保險(xiǎn)管能承受瞬間脈沖電流，從而保證設(shè)備的正常運(yùn)作。
從技術(shù)層面上來(lái)說(shuō)，防雷慢熔斷保險(xiǎn)管因?yàn)榫哂休^大的公稱(chēng)熔化熱能值I2t，其熔斷所需要的能量較大，因此耐脈沖的能力強(qiáng)。公稱(chēng)熔化熱能（I2T）表征保險(xiǎn)管承受瞬態(tài)干擾（短時(shí)大電流的脈沖）的能力，值越大保險(xiǎn)管抗瞬態(tài)干擾能力越強(qiáng)。所以，對(duì)于既要考慮電路安全，又要進(jìn)行防雷實(shí)驗(yàn)的保險(xiǎn)管，其選型就要兼顧以上兩種情況，否則必然產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)與開(kāi)發(fā)工程師溝通，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)之初保險(xiǎn)管選型時(shí)未考慮防雷特性，查看產(chǎn)品規(guī)格書(shū)也無(wú)Nominal Melting I2T指標(biāo)，如圖2所示。
圖2 保險(xiǎn)管選型未考慮防雷I2T
從圖2可以看出，保險(xiǎn)管選型未考慮公稱(chēng)熔化熱能值，因此確認(rèn)保險(xiǎn)管不滿足防雷公稱(chēng)熔化熱能導(dǎo)致浪涌實(shí)驗(yàn)時(shí)熔斷。
4. 整改措施
根據(jù)以上分析，電路中保險(xiǎn)管的選型需要考慮公稱(chēng)熔化熱能，避免普通保險(xiǎn)管在雷擊浪涌時(shí)熔斷，針對(duì)不同的瞬態(tài)浪涌脈沖波形，IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的公稱(chēng)熔化熱能計(jì)算方式如圖3所示。
圖3 瞬態(tài)波形I2T計(jì)算方法
測(cè)試的浪涌短路電流波形如圖4所示。
圖4 浪涌短路電流波形
從圖3和圖4可以看出，浪涌短路電流波形（8/20us）公稱(chēng)熔化熱能可以近似等效用三角波能量計(jì)算。本產(chǎn)品浪涌線-線實(shí)驗(yàn)電壓1kV，發(fā)生器內(nèi)阻為2Ω，此時(shí)短路電流為：
1kV÷2ohm=500A
公稱(chēng)熔化熱能=(1/3)I2T
其中T≈30us，則選用的保險(xiǎn)管
公稱(chēng)熔化熱能≥(1/3)I2T=(1/3)×5002×30×10-6=2.5
考慮到降額，保險(xiǎn)管公稱(chēng)熔化熱能選擇時(shí)至少大于2倍以上計(jì)算值。
選擇與原保險(xiǎn)管同尺寸、標(biāo)稱(chēng)電流一致的某一品牌保險(xiǎn)管，其公稱(chēng)熔化熱能為6.557，大于浪涌實(shí)驗(yàn)要求的最低公稱(chēng)熔化熱能5，如表1所示。
表1 新選型的保險(xiǎn)管公稱(chēng)熔化熱能
新選型的保險(xiǎn)管公稱(chēng)熔化熱能曲線如圖5所示，可以看出其公稱(chēng)熔化熱能為6以上，因此滿足浪涌實(shí)驗(yàn)要求。
圖5 選型的保險(xiǎn)管公稱(chēng)熔化熱能曲線
5. 實(shí)踐效果
將新選型的保險(xiǎn)管安裝在產(chǎn)品上，此時(shí)電源線進(jìn)行線-線±1kV/2Ω、線-地±2kV/12Ω各5次實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)品工作正常，關(guān)機(jī)現(xiàn)象再未出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)順利通過(guò)。
【點(diǎn)評(píng)/點(diǎn)睛】
雷擊浪涌試驗(yàn)，和其它EMC試驗(yàn)相比真的有點(diǎn)特別，它是具有特殊電壓、特殊電流、特殊故障的特殊試驗(yàn)，是特殊中的特殊，然而，很多工程師卻不明白這個(gè)道理，導(dǎo)致設(shè)計(jì)整改時(shí)顧此失彼而出現(xiàn)問(wèn)題，嗚呼，王者之所以能成為王者，不是他把牛能吹上天，而是他比牛超前半步。本案例浪涌實(shí)驗(yàn)時(shí)保險(xiǎn)管損壞，經(jīng)過(guò)縝密的診斷和分析，乃防雷設(shè)計(jì)時(shí)未關(guān)注保險(xiǎn)管承受瞬態(tài)高電壓大電流的能力所致，后通過(guò)保險(xiǎn)管選型成功化解。本文的整改方法和思路啟示我們，雷擊浪涌設(shè)計(jì)時(shí)，需要認(rèn)識(shí)到它的特殊之處，只有知己知彼，才能百戰(zhàn)不殆。
