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测试测量产品的安全性设计与认证

作者:北京交通大学电气工程学院 张和生 陕西宝鸡新铁养路机械有限公司科研所 宋明耀时间:2004-12-07来源:电子产品世界收藏

2004年7月A版

  的安全性已越来越受到人们的关注,不仅仅局限于家用电器,测试与测量产品也要进行安全性认证。如果公司不具备一流的安全性设计理念,就会重复地犯同样的错误,延误产品的上市时间。

  家用电器和信息技术设备领域的用户在长期使用过程中形成了免受电气伤害的安全意识。测试与测量产品安全性意识的增强,首先归之于新的高压测量分类和安全操作的额外保护的需要,例如用户在测量操作时,可能会接触到高于1千伏的电压。除了高压潜在危险,测试与测量产品使用范围的扩大也是个重要原因。产品要在商业企业、实验室、工业领域和危险的场所使用,拓宽了工作条件,诸如高温、污染或潜在易爆气体的环境。因此,测试与测量产品需要专门的安装过程、标记要求和操作说明。

强制性认证标准

  在着手安全性设计与认证之前,了解起重要作用的标准和认证过程是至关重要的。标准是产品安全性设计和测试技术规则的基石。安全性标准涉及的领域包括:元件、机壳、接地、绝缘、分类、温度限制、标记与标识、说明文件、易燃性,以及测试方法等。

  国际技术委员会(TC)测试与测量产品分会(TC66)制订了国际电工委员会(IEC)标准,提案主要来自工业企业、测试机构以及有关各方。IEC标准是世界各国制订标准,包括北美CL/CSA和欧洲标准的基础。

  标准被认为是最低可接受的条件。测试与测量设备的IEC61010—1标准规定了旨在专业、工业过程和教育领域使用的电气产品和附件的安全性要求。

国外主要认证机构和各种标识

  认证是从权威的第三方取得合格证书的过程,它表示产品和元件已符合相关的标准。产品检验合格后允许在其显著的位置贴上合格性标识。

  Under writers laboratories(UL)和CSA International (CSA)是北美独立的产品安全性测试和认证机构。产品上UL和CSA标识表明,产品已经过测试并符合UL/CSA要求。组合的cULus或cCSAus标识则表示符合美国或加拿大安全性标准:诸如UL3111-1(UL61010B-1)、UL3121-1(UL61010C-1)以及CAN/CSA C22.2  NO.1010.1。

  UL、CSA和FM标识证明产品可在含有易爆气体的危险场所使用,它采用的标准是UL1604、IEC/UL60079-15、CSA C22.2 NO.142-M1987等。

  美国联邦通信委员会(FCC)还颁布了各类产品电磁干扰条例,产品涉及发射机、接收机、信息技术和类似的微处理器基设备。FC是该机构认可的电磁干扰合格声明。为了简化计算机及相关设备的授权过程,并使FCC要求与全球市场要求接轨,FCC修改了第2部分第15部分,允许生产厂家自己进行授权。美国FCC和加拿大EMI Verification A类数字设备要求包括FCC Part15和ICES-003。

  Notified Bodies是欧洲认可的安全性测试和认证机构,它依据的是欧洲标准EN61010-1。该机构的主要目标是保护消费者的健康。为供应商CE标识提供独立的第三方支持。标识的实例有VDE、TUV和DemKO。EX则是危险场合使用认证标识,它表示符合EU Directive 94/9/EC的基本要求。测试与测量产品的易爆气体标准是EN50021,保护系统分类:EExnC IIC T4。

  当产品的输入电压在50~1,000VAC或75~1,500VDC时,或产品易产生电磁干扰或受电磁干扰影响,产品应具有European Conformity(CE)标识。CE标识表示产品符合公共使用要求,如Directive 89/336/EEC(EMC)和73/23/EEC。CE是生产厂家或供应商自己公告的,其测试标准有EN55011(EMC辐射),EN61326(EMC抗扰度)和EN61010-1(产品安全性)。

  尽管产品生产厂家或供应商最终应对产品的质量和安全性负责,安全性标识毕竟可以提高公司的信誉度,避免风险,扩大销量。乍一看,认证过程比较复杂,但一旦和测试与认证机构建立良好的合作关系,授与产品认证标识也是顺理成章的。

产品分类

  测试与测量产品的安全性分类与产品的工作电压或额定功率以及工作环境有关。该分类是国际通用的。

测量分类

  测量分类也称安装分类,它确定配电系统中标准化的脉冲承受电压电平。图1表示建筑物各个部分与测量分类的关系。较高级别测量分类意味着PCB较大的间距,通常元器件的体积也较大。下列是依据IEC61010-1的定义。

  测量分类I:是最底层的,瞬间电压不高的分类。CATI是对不和墙壁上交流电源插座直接连接的电路进行测量,如带保护的变压器次级、信号电平和能量有限的电路。

  测量分类II:对直接和配电系统,比如墙壁插座(11S/230VAC),相连接的电路进行测量。测量的例子有家用电器和便携式工具等。

  测量分类III:对建筑物的配电设备进行测量,诸如固定设备和电路断电器中的硬接线装置。

  测量分类IV:对供电干线(<1,000V)进行测量,诸如干线过流保护装置、纹波控制单元或电表。

污染度

  导电麈埃或湿气会减少材料的表面电阻和耐压,增加潜在的电压电弧放电。污染度是根据导电麈埃、电离气体和湿气的数量来测定弹性材料或绝缘体的绝缘能力。较高的污染度要求较宽的PCB间距和体积较大的元件。办公室通常是2度污染环境。某些工业领域是3度污染环境。

  1度污染:没有污染,或无影响的小污染,非导电性污染。

  2度污染:通常指仅为非导电性污染或因冷凝作用形成的暂时性导电污染。

  3度污染:导电性污染,或小污染、非导电性污染因冷凝作用形成的导电性污染。

安全性设计步骤

  从上面介绍可知,安全性并不涉及产品的性能或功能特性,而只表明产品符合安全性标准,不会伤及用户。产品设计人员要考虑的因素很多,包括正常使用条件、可能出现的故障条件和由此引起的故障、可预见的不正确使用方法、以及温度、高度、污染、湿气、过压等外部影响。这里推荐,在进行安全性设计时应优先考虑的步骤:

  元器件:识别安全性关键元器件的安全性标识,确保它们符合US和EU标准。

  结构与设计:满足结构与设计的全部要求,包括绝缘性、PCB间距、机壳、标记与标识、接线、材料、以及用户说明书。

  测试:产品应通过相关的全部安全性测试,包括介质的耐压性、接地连续性、温度和异常条件。全部产品安全性评估与测试应由有资格的人员进行,确保其可信度。

安全性原则

  用户在产品正常操作时或在单次故障后应受保护,避免电气伤害。用户可接近的元件是通过使用各种形式绝缘、机壳和其它手段进行保护的。所谓元件是可接近的,如果它可以用手指或探针触模的。

  工作电压大于42.4Vpk/60VDC时是危险的,容易造成触电。工作电压意指任何绝缘体上可能存在的AC电压最大均方值或DC电压值。IEC61010-1:1990中规定,正常条件下的安全电压极限为30Vrms/42.4Vpk/60VDC;而IEC61010-1:2001则规定为33Vrms/46.7Vpk/70VDC。如果将危险的工作电压桥接至安全极低电压(SELV)时,会损坏产品,用户有触电或被烧伤的风险。

  SELV电路是工作电压低于42.4Vpk/60VDC的电路,这类电路随处可见,包括打印、键盘和PC的连接器等,是没有危险的,用户是可接近的。因此,SELV电路应采取适当方式和危险工作电压绝缘开,以保护用户。

  绝缘有多种形式,诸如隔板、接地或一定的间隔距离。基本绝缘形式指单层绝缘体或间隔规定的距离,它是第一个保护层。辅助绝缘采用几层绝缘体或两倍于基本绝缘距离。当一层绝缘出现故障时,双重绝缘仍能保护用户。增强型绝缘是单个绝缘体,它的厚度相当于几层绝缘体。图2表示一种绝缘系统,其中危险工作电压是采用双重绝缘和无危险电压隔离的,而机壳采用基本绝缘和危险工作电压隔离的。要是机壳没有安全接地,则需要双重绝缘。

安全性关键元件

  顾名思义,安全性关键元件特指严重影响产品或用户安全的元件。这类元件通常处于危险的工作电路中,尤其是桥接在双重绝缘体/增强型绝缘体上,例如光隔离器、继电器、保险丝以及插座、开关、终端块和电源一类AC输入元件。

  安全性关键元件应符合相关的元件标准,且其额定值要按最终产品标准来选择。UL和IEC元件标准对绝大多数元件是不兼容的,因此在美国和欧洲,需要验证这两种标准的一致性,认证标记是元件符合标记的证明。这里还要指出,CE标记是针对产品的,而不是针对元件的。

绝缘体

  在导电部件间设计有绝缘体的产品能恰当地保护用户,免受危险工作电压的伤害。最小绝缘值(间距)与下列5个因素有关:

  测量分类;

  污染程度;

  工作电压;

  绝缘类型:基本、辅助、双重/增强;

  相对漏电痕迹指数(CTI)。在实际操作中,我们还要区分:净间距(clearance)是两个导电部件通过空气测量的最短距离;漏电间距(creepage)是两个导电部件沿其表面测量的最短距离。漏电间距总是大于净间距。在PCB上或部件内部,测量的是两导体最接近导电部件(如PCB上焊盘边沿)间的距离。部件内部距离意指连接器内部插针间或光隔离器引脚间的距离。CTI是确定PCB、连接器以及其它部件漏电间距的一个参数。供应商的产品规格中应提供CTI值,在未规定的场合,对PCB,CTI应大于175;对各类部件,CTI应大于100。基于上述的概念和参数,IEC61010-1:1990规定了相应的净间距和漏电间距(见表1)。

电路间进行绝缘通常可遵循下列原则:

  危险工作电压与SELV间采取双重/增强型绝缘。

  危险工作电压与安全接地电路/机壳间可采取基本绝缘。

  危险工作电压与未接地的金属机壳间应采取双重/增强型绝缘。

  在危险电压电路内部,一般采取基本绝缘。

结语

  随着国际标准成为全球通用的事实上法规以及用户安全意识的增强,生产厂家采取正确的安全设计策略是义不容辞的责任,这就要求生产厂家了解安全性概念,熟知各种安全标准和标识。产品应严格按照元件、结构与设计、测量的步骤来进行。净间距和漏电间距则可参照IEC61010-1:1990的规定(表1)来执行。■(东华)



关键词: 电子产品

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