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電子產品的雷擊浪涌防護標準及測試（IEC61000-4-5）
閱讀：15913 發布時間：2010-6-25
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1．引言
經過長期對雷擊的三種主要形式：直雷擊、傳導雷和感應雷等深入研究，人們建立了雷電感應和高壓反擊的理論，弄清了高壓雷電波在金屬導線上的傳輸規律。在此基礎上，人們發明了間隙串聯熔斷器的避雷器、無間隙氧化鋅避雷器、瞬態過電壓浪涌抑制器（TVS）。這些技術在電力和其他金屬傳輸線上的綜合應用，有效地防止了傳導雷擊對人和環境的災害性破壞。
2．（雷擊）浪涌的機理及綜合防護
雖然我們已經對直擊雷和傳導雷的災害性破壞已經有較好的防護措施，但間接雷（如云層內、云層間的雷擊，或臨近物體遭到的雷擊）仍然可以在戶外架空線上感應出浪涌電壓和電流。此外，在電站或開關站中，大型開關切換瞬間，也會在供電線路上感應出大的浪涌電壓和電流。這兩種浪涌的共同特點是能量特別大（用能量作比較，靜電放電為皮焦耳級，快速脈沖群為毫焦耳級，雷擊浪涌則為幾百焦耳級，是前兩種*量的幾百萬倍），但波形較緩（微秒級，而靜電與快速脈沖群是納秒級，甚至是亞納秒級），重復頻率低。電磁兼容領域所指的浪涌一般來源于開關瞬態和雷擊瞬態。
2.1開關瞬態
系統開關瞬態與以下內容有關：主電源系統切換騷擾，例如電容器組的切換；配電系統內在儀器附近的輕微開關動作或者負荷變化；與開關裝置有關的諧振電路，如晶閘管；各種系統故障，例如設備組接地系統的短路和電弧故障。
2.2雷擊瞬態
雷電產生浪涌（沖擊）電壓的主要來源如下：直接雷擊于外部電路（戶外），注入的大電流流過接地電阻或外部電路阻抗而產生浪涌電壓；在建筑物內，外導體上產生感應電壓和電流的間接雷擊；附近直接對地放電的雷電入地電流耦合到設備組接地系統的公共接地路徑。若有雷擊保護裝置，當保護裝置動作時，電壓和電流可能發生迅速變化，并耦合到內部電路，依然會產生瞬態沖擊。
因此，電子設備的浪涌（沖擊）防護已經成為電子產品設計者必須面對并解決的問題。相關的浪涌防護標準及其測試為電子產品的浪涌（沖擊）防護設計的符合性判定提供了依據和手段。
2.3（雷擊）浪涌的綜合防護
為了有效保證人員、環境和設備免遭（雷擊）浪涌的危害，需要一套系統全面的綜合性防護體系。
在進行防護系統設計時，應根據雷電損害發生幾率和保護對象對雷電的敏感程度劃分保護區域，并確定出相應的雷電防護等級和相應的防護措施，構成一個立體縱深（雷擊）浪涌防護體系。
針對各分區的特點，采取的防護措施有：
（1） 在建筑物或系統外部高處利用雷電接閃器（避雷針、避雷帶等）及其系統防止直擊雷的侵害。
（2） 在進入建筑或系統傳輸導體上安裝瀉流裝置，分流雷電能量，防止傳導雷擊。
（3） 采用對建筑或系統設備接地的等電位連接的方法防止直擊雷通過接地反擊。
（4） 在建筑或設備內部采用多層次的電磁屏蔽來降低或限制感應雷擊過電壓的產生。這些屏蔽包括建筑物屏蔽、電子系統設備機房內屏蔽、設備外殼屏蔽和信號管線屏蔽等。
（5） 在外部電源或信號進入建筑或系統的傳輸通道采用過電壓/過流保護器防止其危害保護對象，即在電源回路、信號接口等回路安裝過電壓保護器（如過電壓限制器或浪涌吸收器等），經限制器將已經產生的過電壓鉗位于限制值以下，保證系統設備或元器件免于異常動作或損壞。過電壓保護器的設置或選擇應按其保護系統的重要級別或系統回路接口方式全面、系統地統籌考慮。
各部分具體的實施和安裝都有相應的標準要求，只要有以上各個防護措施根據其分區和位置的特點滿足相應的防護標準要求既可構成一個完整的現代雷電防護體系，可以有效保證人員、環境和設備免遭（雷擊）浪涌的危害。
3．電子產品的浪涌（沖擊）抗擾度標準及測試
3.1常用的防雷標準及其適用范圍
3.1.1建筑設計的防雷標準
a）GB50057-94（2000修訂版）《建筑物防雷設計規范》
對一般建筑物的防雷設計要求進行規定，使建筑物能因地制宜的采用合適防雷措施，防止或減少雷擊建筑物所發生的人身傷亡和財產損失。
b）GB50174-93《計算機房防雷設計規范》
適用于陸地上新建、改建和擴建的主機房建筑面積大于或等于140㎡的電子計算機機房的設計。而本規范不適用于工業控制用計算機機房和微型計算機機房。
c）IEC1312《雷電電磁脈沖的防護》
3.1.2建筑接地、安裝的防雷標準
a）YD5068-98《移動通信基站防雷與接地設計規范》
本規范適用于新建移動通信基站的防雷與接地設計，對于改、擴建移動通信基站的防雷與接地設計，已建基站的防雷與接地技術的改造亦可參照執行。
b）YDJ26-89《通信局（站）接地設計暫行技術規定（綜合樓部分）》
本標準為建筑物內或建筑物頂部信息系統的雷電防護系統的設計、安裝、檢查、維護、評估進行了規定。
c）YD2011-93《微波站防雷與接地設計規范》
d）VDE0185《雷電保護系統的安裝指引》
3.1.3防雷器件的技術標準
a）GA173-1998《計算機信息系統防雷保安器》
計算機信息系統加裝的防雷保安器，應符合本標準的技術要求、實驗方法、檢驗規則、標志、包裝、運輸及儲存要求，并能有效防止感應雷電破壞該系統受保護設備。
b）IEC61643《SPD電源防雷器》
標準，適用于交直流電源電路和設備上的電源防雷器，額定電壓在1000VAC或1500VDC。電源防雷器按照該標準分級分類測試和應用。
c）IEC61644《SPD通訊網絡防雷器》
標準，適用于通信信號網絡系統的防雷器，這類防雷器內置過壓過流元器件，額定電壓在1500VAC/DC。電源防雷器按照該標準分級分類測試應用。
d）VDE0675《過電壓保護器》
德國標準，標準適用于過電壓放電保護器（電源防雷器），適用于額定交直流電壓在100V至1000V范圍內的供電配電系統使用，標準對防雷器做出分級分類要求。
3.1.4產品防雷的技術標準
a）GB17626.5-1999《電磁兼容試驗和測量技術 浪涌（沖擊）抗擾度試驗》
b）YD/T993-1998《電信終端設備防雷技術要求及試驗方法》
c）GB3482-1983《電子設備雷擊試驗方法》
d）GB3483-1983《電子設備雷擊試驗導則》
下面對這四個產品防雷擊（浪涌）標準進行簡要介紹。
3.2 GB17626.5-1999標準測試要求
不同的電子、電氣產品標準對浪涌（沖擊）抗擾度試驗的要求是不同的，但這些標準關于浪涌（沖擊）抗擾度試驗大多都直接或間接引用GB/T17626.5-1999（idtIEC61000-4-5：1995）：《電磁兼容 試驗和測量技術 浪涌（沖擊）抗擾度試驗》這一國家電磁兼容基礎標準，并按其中的試驗方法進行試驗。
3.2.1適用范圍
適用于電氣和電子設備在規定的工作狀態下工作時，對由開關或雷電作用所產生的有一定危害電平的浪涌（沖擊）電壓的反應。該標準不對絕緣物耐高壓的能力進行試驗。該標準不考慮直擊雷。
該標準為基礎標準，規定了浪涌（沖擊）測試的試驗等級分類和試驗方法，但沒有規定具體的試驗等級選擇和合格性判定準則，一般不直接適用于具體產品浪涌（沖擊）抗擾度測試和符合性判定。該標準一般為具體的產品或產品簇標準所引用作為其試驗方法，具體的試驗等級選擇和合格性判定準則在相應的標準中加以規定。
3.2.2試驗發生器
信號發生器的特性應盡可能地模擬開關瞬態和雷擊瞬態現象：如果干擾源與受試設備的端口在同一線路中，例如在電源網絡中（直接耦合），那么信號發生器在受試設備的端口能夠模擬一個低阻抗源；如果干擾源與受試設備的端口不在同一線路中（間接耦合），那么信號發生器能夠模擬一個高阻抗源。
對于不同場合使用的產品及產品的不同端口，由于相應的浪涌（沖擊）瞬態波形，各不相同，因此對應的模擬信號發生器的參數也各不相同。例如：對交直流電源端口和短距離信號電路/線路端口，通常采用的是1.2/50µs（8/20µs）組合波信號發生器（發生器輸出端開路時，形成電壓浪涌波；發生器輸出端短路時，形成電流浪涌波），其波形圖見圖2-1所示；對電信端口和長距離信號電路/線路端口，通常采用的是10/700µs的符合CCITT要求的是試驗信號發生器。
3.2.3試驗等級及信號發生器
3.2.3試驗等級及信號發生器
試驗等級應根據安裝情況來選擇。對較高等級測試時，試驗應滿足該表所列的較低等級。對具體的產品來說，試驗等級選擇往往已在相應的產品或產品族標準中加以規定。
表2-1試驗等級
| 等級 | 開路試驗電壓（±10%），KV |
| 1 | 0.5 |
| 2 | 1.0 |
| 3 | 2.0 |
| 4 | 4.0 |
| X | 特定 |
| 注：X是一個開放等級，可以在產品要求中加以規定 | |
對交/直流電源線建議采用配套的耦合/去耦網絡（僅適用于組合波信號發生器）。對交/直流電源線可采用電容耦合：在接入電源去耦網絡的同時，還可以通過電容耦合將試驗電壓按線-線或線-地方式加入。對非屏蔽不平衡I/O線路，當電容耦合對該線上的通信功能沒有影響時，推薦使用電容耦合。對非屏蔽平衡（通信）線，推薦用氣體放電管耦合。
3.2.5源阻抗確定
信號發生源阻抗的選擇取決于：電線、導體、線路的種類（交流電源、直流電源、互連線等等）；電纜、線路的長度；試驗電壓的施加（線-線或線-地）。2Ω阻抗表示低壓電網的源阻抗；12Ω阻抗表示低壓電網對地的源阻抗；42Ω阻抗表示其他所有線路對地的源阻抗。
3.2.6試驗實施
電源、信號和其他功能電量應在其額定的范圍內使用，并處于正常的工作狀態。根據要進行試驗的EUT的端口類型選擇相應的試驗實試驗波形發生器和耦合單元及相應的信號源內阻。使受試設備處于典型工作條件下，根據受試設備端口及其組合，依次對各端口施加沖擊電壓。
對電源端子進行浪涌測試時，應在交流電壓波形的正、負峰值和過零點分別施加試驗電壓。對電源線和信號線應分別在不同組合的共模和差模狀態下施加脈沖沖擊。每種組合狀態至少進行5次脈沖沖擊。每種組合應針對不同脈沖極性進行測試，兩次脈沖間隔時間不少于1min。
若需滿足較高等級的測試要求，也應同時進行較低等級的測試，只有兩者同時滿足，我們才認為測試通過。不同產品或產品族標準對試驗的實施可能根據產品的特點有特定的規定。
3.3 YD/T993-1998標準測試要求簡述
YD/T993-1998：《電信終端設備防雷技術要求及試驗方法》為產品簇標準，不但規定了試驗方法，而且也同時規定了試驗等級和判定準則，適用于對通過金屬導線直接接至平衡線對的機、傳真機、調制解調器以及多媒體用戶終端等電信終端設備防雷擊測試和標準符合性評價。為目前電信終端設備強制性產品認證（*）的一個必測標準。
3.3.1測試項目
a） 橫向試驗：沖擊電壓施加在被測設備（EUT）的信號線或電源線的輸入（出）端子之間的試驗.
b） 縱向試驗：沖擊電壓施加在EUT信號線或電源線的輸入（出）端與地之間的試驗。
c） 與通信網的電氣隔離試驗：沖擊電壓施加在EUT的通信外線端子與下述每一零部件或電路之間：EUT上需要抓握或接觸不接地的不導電或導電零部件；試驗指（GB4943標準中圖19規定）可觸及的零部件和電路（除符合電信電路附件要求的連接器接點）；連接其他設備的電路（不包括信號線）。
a） 橫向試驗：沖擊電壓施加在被測設備（EUT）的信號線或電源線的輸入（出）端子之間的試驗.
b） 縱向試驗：沖擊電壓施加在EUT信號線或電源線的輸入（出）端與地之間的試驗。
c） 與通信網的電氣隔離試驗：沖擊電壓施加在EUT的通信外線端子與下述每一零部件或電路之間：EUT上需要抓握或接觸不接地的不導電或導電零部件；試驗指（GB4943標準中圖19規定）可觸及的零部件和電路（除符合電信電路附件要求的連接器接點）；連接其他設備的電路（不包括信號線）。
3.3.2試驗樣品的預處理
EUT應是按相關標準檢驗合格的產品。未加沖擊波的端子應處于正常的負載阻抗狀態。具有遠供電源的EUT，其遠供電源應視為試驗樣品的組成部分，沖擊電壓通過放電管施加。接通EUT的電源，并使試驗樣品處在額定的工作電壓和電流狀態下，預熱半小時。
3.3.3試驗電壓和試驗波形
a）用于非暴露環境（無一次保護），沖擊電壓幅值為：
橫向試驗：1.5kV±3%
縱向試驗：1.0kV±3%
b）用于暴露環境（加一次保護），沖擊電壓幅值為：
橫向試驗：4kV±3%
縱向試驗：4kV±3%
c）與通信網的電氣隔離試驗，其沖擊電壓值為：
2.5kV（常接觸的不接地零部件）
1.5kV（試驗指可觸及的零部件及連接其他設備的電路）
電源端口試驗的浪涌波形為1.2/50μs（8/20μs）組合波：信號端口及與通信網的電氣隔離試驗的浪涌波形為10/700μs的符合CCITT要求的浪涌波。
對電源線路試驗時，橫向試驗浪涌發生器的內阻為2Ω，縱向試驗浪涌發生器的內阻為12Ω；對信號端口及與通信網的電氣隔離試驗時，浪涌發生器的等效源阻抗為42Ω。
3.3.4橫向和縱向試驗方法
EUT在“掛機”狀態（或非連接狀態）和“摘機”狀態（或連接狀態）分別進行；橫向試驗和縱向試驗分別進行；電源端口和信號端口分別進行；試驗電壓和波形見上節；每種組合下正負極性沖擊測試各5次；相鄰兩次沖擊間隔不小于1min。
3.3.5與通信網的電氣隔離試驗方法
將EUT的電源端與供電電源斷開；將連接通信網的外線互連并與通信網斷開；將連接其他設備的電路連接在一起。
將送受話器、鍵盤之類抓握的零部件包裹一層導電金屬箔，并在金屬箔與外線端子之間施加2.5kV試驗電壓；在試驗指能觸及的零部件與EUT的外線端子之間施加1.5kV試驗電壓；將EUT的外線端子與EUT連接其他設備的電路之間施加1.5kV試驗電壓。
3.3.6雷擊防護要求
絕緣：經雷擊沖擊波試驗后，采用500V直流電壓絕緣，電阻應不小于2MΩ。
承受能力：EUT在承受雷擊試驗期間不要求其正常運行；EUT在承受雷擊試驗后，各項功能應符合相關標準要求。例如：機應在全部試驗（包括橫向試驗和縱向試驗）完成并經不少于一小時的靜態恢復后，檢查被測樣品的發送、接收和鈴聲及發號特性應正常。
3.4 GB3482-83 GB3483-83標準測試要求簡述
GB3483-83《電子設備雷擊試驗導則》和GB3482-83《電子設備雷擊試驗方法》為一套相互配合使用的標準。標準說明雷擊電子設備的機理、雷電沖擊波的特性和雷擊試驗原理等。規定試驗波形、沖擊波發生電路、試驗程序等試驗方法。
該標準為基礎標準，不可直接用于電子產品的雷擊測試。可以作為電子產品標準中雷擊測試引用和選擇依據。在制定電子設備雷擊試驗方法的專業標準時，應符合該標準有關條款的要求。
3.4.1適用范圍
標準適用于與外線連接的含有固體化元件的電子設備雷擊測試，以檢驗有關電子設備抵抗雷擊的能力。不適用于雷電直擊設備和雷電引起的電磁干擾的檢驗。
3.4.2相關說明
a） 橫向試驗和縱向試驗
橫向試驗：沖擊電壓施加在電子設備輸入（出）端子之間的試驗。
縱向試驗：沖擊電壓施加在電子設備輸入（出）端子之間的試驗。對某些輸入、輸出端均連有外線的設備，指沖擊電壓施加在其輸入和輸出端之間的試驗。
b） 波形的選取原則：雷擊試驗的目的，是通過某些方法在試驗室內再現電子設備運行時受到的雷擊情況，以便改善防雷措施。使設備獲得滿意的運行可靠性。根據可能襲入設備的雷電沖擊途徑、性質和極性選擇合適的試驗參數。
3.4.3試驗波形選擇
a）與明線相聯接的電子設備的試驗波形：當外線為架空明線或被復線時，推薦采用4/300μs單極性沖擊電壓全波；用于通信設備及具有類似工作方式的電子設備，沖擊波為頻率為幾千赫至幾十千赫的衰減振蕩沖擊波。
b）與電纜相聯接的電子設備的試驗波形：當外線為對稱電纜、同軸電纜時，推薦采用10/700μs沖擊波。
c）與鋼軌或類似傳導體相聯接的電子設備的試驗波形；建議采用10/200μs沖擊波。
d）直擊雷反擊試驗波形：建議采用1.2/50μs沖擊波。
3.4.4試驗準備
試驗樣品與各種臨近物的距離以及距地面的高度等，應大于試驗可能的閃絡路徑的1.5倍。試驗電路接線及測量引線應盡量短。對具有多個輸出/輸入端子的試驗樣品，在測試的時候，除施加沖擊的端子外，其余均應按正常工作狀態負載阻抗終接。帶氣體放電管保護電路產品測試時，除該產品設計運行于見光者外，試驗一律應選擇遮光狀態進行。
使試驗樣品處在額定的工作電壓和電流狀態下預熱半小時。根據試驗樣品的有關技術要求，測試各項技術指標。
3.4.5沖擊波施加方式
a）橫向試驗：具有單端輸入（出）的試驗樣品，沖擊電壓施加在輸入（出）線間。這種方式也適用于試驗樣品同時具有輸入和輸出端，而其中一端加以端接的試驗樣品的試驗。對于具有遠供電源的電子設備，其遠供電源應視為試驗樣品的組成部分，沖擊電壓通過放電管施加。
b）縱向試驗：具有單端輸入（出）端的試驗樣品，沖擊電壓分別施加在輸入（出）線和外殼地（或大地）之間。這種接線也適用于試驗樣品同時具有輸入和輸出端，而其中一端加以端接的試驗樣品的試驗。對于具有遠供電源的電子設備，其遠供電源應視為試驗樣品的組成部分，沖擊電壓通過放電管施加。
c）對同時具有輸入和輸出端的試驗樣品：除進行上述有關試驗外，應將輸入輸出端均加以端接，并在輸入和輸出之間通過放電管施加縱向沖擊電壓。
3.4.6試驗過程
試驗時，一般應從低壓到高壓逐步進行。先做帶有保護器件的耐沖擊試驗，再做可能導致破壞或破壞性試驗。一般按下列順序：單極性沖擊電壓全波試驗；臨界沖擊放電電壓全波試驗；衰減振蕩沖擊波試驗。臨界沖擊放電電壓全波試驗時，應拆去該保護級的氣隙放電器。
3.5 其他電磁兼容標準的浪涌抗擾度要求
除了以上介紹的（雷擊）浪涌測試的標準以外，在通用和抗擾度標準和產品標準中都有相應的（雷擊）浪涌測試項目。如GB/T17799.1-1999：《電磁兼容通用標準居住、商業和輕工業環境中的抗擾度試驗》（通用標準）、GB/T17799.2-2003：《電磁兼容通用標準工業環境中的抗擾度試驗》（通用標準）、GB-T17618-1998信息技術設備抗擾度限值和測量方法（產業簇標準）、GB4343.2-1999：《電磁兼容家用電器、電動工具和類似器具的要求》第2部分：抗擾度（產品簇標準）等標準都有浪涌測試要求。但這些標準的浪涌測試方法都直接或間接引用GB17626.5標準相關部分。
4．小結
（雷擊）浪涌沖擊是造成電子設備損壞的一個重要原因。首先我們依靠建筑物的防雷標準為電子產品提供一個相對安全的的外部環境；其次，我們依靠系統級的防雷標準為電子產品提供一個相對安全周邊環境。這兩方面的防護標準為電子產品的安全運行提供了必要的外部保障，但電子產品在雷擊浪涌沖擊下是非常脆弱的，僅僅依靠外部防護還是不足夠的，只有產品內部也具有相應的雷擊浪涌沖擊抵抗能力，才能保障電子產品的日常的雷電浪涌沖擊下保持正常。而產品的雷擊浪涌的抵抗能力是需要相應的防護手段來達到，并要通過相應的產品浪涌檢測標準來測試和判別的。本文就與電子產品相關的幾個浪涌抗擾度檢測標準進行了簡單的介紹，便于大家對電子產品的浪涌抗擾度測試及合格性判定有一個整體的了解，方便大家在電子產品浪涌設計和測試時正確把握。
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一、電磁兼容知識大匯總
二、靜電放電抗干擾試驗系統【IEC61000-4-2 GB/T17626.2】
三、射頻磁場輻射抗繞度試驗【IEC61000-4-3 GB/T17626.3】
四、電快速瞬變脈沖群的抗干擾度試驗【IEC61000-4-4 GB/T17626.4】
五、雷擊浪涌抗干擾度試驗【IEC61000-4-5 GB/T17626.5】
六、射頻傳導抗擾度試驗【IEC61000-4-6 GB/T17626.6】
七、工頻磁場抗擾度試驗【IEC61000-4-8 GB/T17626.8】
八、脈沖磁場抗擾度試驗【IEC61000-4-9 GB/T17626.8】
九、電壓跌落、短時中斷和電壓漸變的抗干擾度試驗【IEC61000-4-11】
十、衰減震蕩&振鈴波抗擾度試驗【IEC61000-4-12 GB/T17626.12】
十一、電磁兼容屏蔽室建設方案
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