某產品保險管選型解決浪涌故障案例

1 問題描述

某醫療產品在正常工作狀態下，當對交流電源線進行線-線±1kV/2Ω、線-地±2kV/12Ω浪涌實驗時產品會自動關機，嘗試重新上電后仍然不能開機，實驗不通過。

2 故障診斷

打開機殼，使用萬用表測量電源電路，發現陶瓷保險管RO54-1A斷路，重新更換保險管后開機正常，確認浪涌損壞的為保險管，如圖1所示。

圖1 浪涌損壞的保險管

3. 原因分析

熔絲管俗稱保險管，其安裝在電路中，是保證電路安全運行的電器元件。正常情況下保險管在開關電源中起到連接輸入電路的作用，一旦發生過載或短路故障，通過保險管的電流超過熔斷電流，熔絲就被熔斷，將輸入電路切斷，從而起到過電流保護的作用。

對于需要做浪涌實驗的產品，保險管應用在防護電路之前，此時需要承受瞬態浪涌脈沖電流，因為浪涌電流或者沖擊電流峰值很高，通常選擇慢熔性保險管，普通的保險管承受不了這種電流。如果使用普通保險管，電路可能就無法正常開機，如果換成大規格電流保險管，當電路中出現過載電流時又無法起到保護作用，而慢熔斷保險管能承受瞬間脈沖電流，從而保證設備的正常運作。

從技術層面上來說，防雷慢熔斷保險管因為具有較大的公稱熔化熱能值I2t，其熔斷所需要的能量較大，因此耐脈沖的能力強。公稱熔化熱能（I2T）表征保險管承受瞬態干擾（短時大電流的脈沖）的能力，值越大保險管抗瞬態干擾能力越強。所以，對于既要考慮電路安全，又要進行防雷實驗的保險管，其選型就要兼顧以上兩種情況，否則必然產生風險。經與開發工程師溝通，產品在設計之初保險管選型時未考慮防雷特性，查看產品規格書也無Nominal Melting I2T指標，如圖2所示。

圖2 保險管選型未考慮防雷I2T

從圖2可以看出，保險管選型未考慮公稱熔化熱能值，因此確認保險管不滿足防雷公稱熔化熱能導致浪涌實驗時熔斷。

4. 整改措施

根據以上分析，電路中保險管的選型需要考慮公稱熔化熱能，避免普通保險管在雷擊浪涌時熔斷，針對不同的瞬態浪涌脈沖波形，IEC標準規定的公稱熔化熱能計算方式如圖3所示。

圖3 瞬態波形I2T計算方法

測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）公稱熔化熱能可以近似等效用三角波能量計算。本產品浪涌線-線實驗電壓1kV，發生器內阻為2Ω，此時短路電流為：

               1kV÷2ohm=500A

公稱熔化熱能=(1/3)I2T

其中T≈30us，則選用的保險管

公稱熔化熱能≥(1/3)I2T=(1/3)×5002×30×10-6=2.5

考慮到降額，保險管公稱熔化熱能選擇時至少大于2倍以上計算值。

選擇與原保險管同尺寸、標稱電流一致的某一品牌保險管，其公稱熔化熱能為6.557，大于浪涌實驗要求的最低公稱熔化熱能5，如表1所示。

表1 新選型的保險管公稱熔化熱能

新選型的保險管公稱熔化熱能曲線如圖5所示，可以看出其公稱熔化熱能為6以上，因此滿足浪涌實驗要求。

圖5 選型的保險管公稱熔化熱能曲線

5. 實踐效果

將新選型的保險管安裝在產品上，此時電源線進行線-線±1kV/2Ω、線-地±2kV/12Ω各5次實驗，產品工作正常，關機現象再未出現，實驗順利通過。

【點評/點睛】

雷擊浪涌試驗，和其它EMC試驗相比真的有點特別，它是具有特殊電壓、特殊電流、特殊故障的特殊試驗，是特殊中的特殊，然而，很多工程師卻不明白這個道理，導致設計整改時顧此失彼而出現問題，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。本案例浪涌實驗時保險管損壞，經過縝密的診斷和分析，乃防雷設計時未關注保險管承受瞬態高電壓大電流的能力所致，后通過保險管選型成功化解。本文的整改方法和思路啟示我們，雷擊浪涌設計時，需要認識到它的特殊之處，只有知己知彼，才能百戰不殆。