充电桩脉冲耐压测试(Impulse dielectric withstand)

充电桩通常安装在户外或复杂电网环境中,随时可能面临一些威胁,比如雷击感应、电网开关操作过电压、设备启停瞬变等。让我们一起带着下面这些问题一探究竟。

  • 为何脉冲耐压如此重要呢?
  • 充电桩脉冲耐压测试的数值是多少呢?
  • 脉冲耐压的测试要求是如何的?什么是1.2µs/50 µs?
  • 实验人员怎么样"打"脉冲耐压才是合规的呢?
  • 测试过程会出现哪些常见的fail点?

(一)什么是脉冲耐压

按照IEC 60664-1的定义,impulse withstand voltage指的是highest peak value of impulse voltage of specified form and polarity which does not cause breakdown of insulation under specified conditions。

脉冲耐压定义直接翻译有点别扭,符合中国读者的翻译为:在规定情况下,对某测试样品施加具有特定波形和极性的脉冲电压的最高峰值,其绝缘系统不被击穿。

此定义的重点,是对测试样品施加特定波形和极性的脉冲电压。

简单来说,就是模拟现实场景中充电桩可能遭遇的突发高压冲击,检验其能否"扛得住"。

明明我们已经有了绝缘耐压,足以检测绝缘系统的稳定性,为什么还要施加特定的脉冲电压呢?

在电路系统中,当发生雷击、高频的开关操作或者静电放电时,常常会有瞬间的高压会涌入产品。如果此时的产品的器件本身绝缘性能设计不佳,则会出现故障,甚至有电击、起火的风险。

小时候家里打雷的时候,就要拔开电视机的插头,不然电视机很可能会被会打成雪花模式,其罪魁祸首正是脉冲耐压。

无论是交流充电桩,还是直流充电桩,都是安装在户外,其受到日常的雷击影响和电网的突发停电和通电瞬间产生的脉冲电压风险是极大的。如果充电桩设计没有考量脉冲耐压的影响,产品的长期可靠性会大大降低,使用一段时间大概率会维修或者返厂,极大的影响用户体验,也会增加不菲的成本。

概括来说,脉冲耐压测试和绝缘耐压测试互为补充,共同验证产品绝缘强度和结构缺陷(如电气间隙不足)。

(二)标准的要求

脉冲耐压的要求,在IEC 61851-1:2017的12.7.2章节。

我们单从充电桩的标准原文没有提取出什么关键的信息,测试的要求只能在标准IEC 60664-1和IEC 61180两个标准里面去找。又是经典的标准写法,不详细说具体细节,需要读者自行查阅。

通过查表可知,不同的系统电压(指的是电网的电压),在不同的过电压等级情况下,所需要测试的值不一样。我们交流桩和直流桩是永久性连接,所以属于 Overvoltage category III。

所需要测试的脉冲耐压值为:基本绝缘为4kV,而加强绝缘(或者双重绝缘)的测试值不是基本绝缘的两倍,是表格当中的下一格,4kV的下一格是6kV。

具体的测试部位,是施加于带电部件和裸露的导电部件。点位和工频耐压基本一致。

因此,根据标准的要求,充电桩的耐压测试选取的测试点位和数值如下:

(三)测试要求

脉冲耐压测试的难点其实在于测试设备的具体要求。

根据IEC 61180的介绍,脉冲耐压的电压波形必须要符合下面的要求:

标准脉冲电压为平滑的全脉冲电压,其上升时间为1.2微秒,半值时间为50微秒,称为1.2/50脉冲(如下图),他们的容差为:

  • 峰值±3%
  • 前沿时间±30%
  • 半值时间±20%

其次就是设备设置的内阻是多少才合适?

总结如下(内容出自 IEC 60664-1):

  • 电源线:2Ω差模(线对线) ,12Ω共模 (线对PE)
  • 信号端: 40Ω (信号对地)

说了这么久,测试时间呢?

答案就是:由于任何脉冲电压试验结果的分散性,每种极性的试验应至少进行三次脉冲,且脉冲间隔至少为1秒。

(四)实际的测试

1.首先,需要先购买一台脉冲耐压测试仪,这台仪器要满足所需要的量程的要求,然后去做校准。对于欧标认证而言,校准是个很重要的事情,不然数据本身就没有信服力。

2.带好绝缘手套,地板做好绝缘(安全为主)

3.和工频耐压测试一致, 可以直接使用夹子去夹被测的两个部位之间, 如果是表面可触摸的表面, 可以使用铜箔先贴上再夹住测试。如果是薄片类材料,需要再购买一个器件并校准,如下图所示:

5.按照前文的测试值要求进行设置即可。

6.实验期间应无击穿或者局部击穿,但允许有局部放电。

  1. 通常为了验证产品无击穿,测试完脉冲耐压之后,应该进行绝缘耐压的测试。

(四)常见的fail点

脉冲测试是产品安全的基础,测试过程常见的fail点有:

1、电气间隙不够;

2、仪器操作不当,没有按照测试要求设置参数;

3、测试环境太潮湿或者样品没有进行预处理,表面有影响测试的介质

4、绝缘材料的绝缘性能达不到要求,例如起隔绝作用的绝缘胶带或者麦拉片的厚度不够,从而导致击穿等

5、前端防雷器件选取规格错误;

(五)注意事项

1、脉冲耐压不允许拆除器件测试,欧标标准没有出处;

2、在测试中,不同的海拔是需要进行校准测试的,如下表;

3、根据IEC 60664-1的要求,如果绝缘耐压的测试值高于脉冲耐压,则脉冲电压无需测试。

脉冲耐压测试是充电桩电气安全的核心验证项目之一。它通过模拟雷击、操作过电压等极端瞬态工况,检验充电桩的绝缘系统能否在关键时刻"守住底线"。

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