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交换机安规耐压测试失效解决案例

作者:何勇 ; 发布时间:2017-11-6 9:33:08 ; 来源:互联网  点击:

0 引言

       根据GB4943 要求,交换机产品需要在电源口L/N 线对金属外壳做1500VAC 的安规耐压测试。在测试过程中,有相当多型号的交换机产品会不能通过测试,哪怕降低电压到很低的等级,比如:500V 也不能通过。安规耐压测试是考察电源口到外壳之间的绝缘等级。因为外壳是金属,有些地方没有接地措施,一旦绝缘被击穿或者绝缘失效,高压将直接加在金属外壳上,人体不小心碰触,会发生电击危害,这是绝对不小允许的现象,属于安规基本要求。如果基本要求满足不了,这款产品是不能上市销售的。

1 现象

       在产线做流线耐压测试的时候,出现大批量耐压报警的现象。这些产品有塑料壳的,比如PLC、电力AP;也有金属壳的,比如交换机。塑料壳的耐压测试加在电源及网口之间,金属壳的加在电源口及外壳之间。塑料壳的产品的耐压打法可能存在不规范行为。比如,高压直接加在电源口和网口之间,这种方法是否合适,值得商榷。但是,出现了概率性的耐压问题,也说明产品在设计的时候,安规风险分析是不足的。

       至于金属壳的产品,本身电源口到壳体之间的安规耐压就是重点考察对象。为了确保人身及维护安全,金属壳产品必须要保证通过安规耐压测试。在产线对交换机做安规耐压流线测试的时候,仍然有一部分产品无法通过测试,有些产品甚至打500V 都报警。这说明产品的安规设计的确存在很大问题。

2 耐压测试需求

       对于通信产品,安规测试来自于法规GB4943.1:2011 或者EN60950-1-2006+A2-2013 的规定。具体要求见图1。

                    

                                                                图1 法规对安规耐压等级的规定


       交换机产品工作电压是220V,基本绝缘及功能绝缘打1500V 交流耐压,加强绝缘打3000VAC 耐压。耐压测试根据初级电路及次级电路来划分测试点,能将初级和次级电路隔开的可以是变压器、光耦和Y 电容。所以在初级电路实施耐压测试,必定是跟这些器件有关的部位,比如:变压器的初级和次级,光耦的初级和次级,Y 电容的初级和次级。初级电路是直接跟交流电源相连的电路。次级电路是没有直接跟初级电路相连的电路,并且次级电路的电源来自于变压器,转换器或者类似的隔离装置,或者其能量来自于电池。

       耐压测试测试点的选取,有以下几种情况:1、初级到壳体之间;2、初级电路到次级电路之间;3、初级电路之间。第一和第三两种好理解,第二种容易搞混,比如电力猫,直接打电源口到网口之间的耐压,交流信号是双向的,而网口是低压电路,让低压电路来抗高压,是比较不靠谱的一种测试方法。

                                                                        

3 交换机初级到壳体耐压测试方法


        在实施交换机初级到壳体耐压测试的时候,要选择只有L/N 两pin 的电源线,如果有第三pin 接地脚,要去掉。耐压测试仪输出电压设置到相应档位,漏电流设置为10mA,持续时间设置为1 分钟,工厂量产测试可设置为1 秒。将输出高压红表笔接在LN 线上,输入黑表笔接交换机外壳。测试示意图如图2。


                                  

                                                          图2 交换机耐压测试示意图


        当EUT 配置完毕,按下开始按键,仪器开始耐压测试。在一分钟内施加高压到EUT 的初级和壳体之间。如果绝缘等级足够,则耐压测试仪会判测试通过,如果绝缘等级不够,漏电流增大,初级到次级间电压下降,说明绝缘不够或者安全间距不够,耐压测试不合格,仪器报警。


4 交换机耐压测试


         该交换机工作电压220V,耐压测试过程中仪器报警,测试不合格。交换机实测图如图3。


                               

                                                               图3 交换机耐压实测


5 失效分析


       造成安规耐压不合格的原因无非就是本该绝缘的地方,绝缘不够,在高压下漏电流过大;或者安全间距不够,高压到低压之间空气被击穿,造成外壳漏电。为了验证以上分析,将交换机拆开来,逐个寻找高压从初级到次级到外壳的可能击穿路径,找到该路径上的薄弱点,成为本次耐压调试的关键。拆机后内部照片如图4。


                                   

                                                                      图4 交换机拆机分析


        为了找到该薄弱点,用万用表测量电源入口和外壳之间的阻抗,测试的结果是阻抗很大,符合要求。既然在高压传输路径上没有直接接触外壳的机会,那么可能就是该系统集成的时候没有从整体上考虑安规需求的问题。经过了解设计流程,电源模块是外包给第三方公司设计的,主板是硬件工程师完成,结构工程师只负责做外壳。一套系统由三个单位完成,在系统集成的时候难免不出现安规问题,这是隐藏安规隐患的关键。


        那么究竟是电源出了问题,还是主板出了问题呢?


        既然直接连接外壳的地方不存在,那么安全间距不够造成的空气被击穿,间接放电的可能性就更大。高压主要是从电源口进入,低压和高压直接隔了变压器,不大可能是主板出了问题,最大可能还是在电源板上。这么大的电源板,这个间接放电点在哪里呢?


        因为在电源板底面和外壳之间铺了一层透明的绝缘材料,那么将绝大部分可能的放电点给挡住了。这个产品在打耐压的时候,500V 都打不过,说明放点电的安全间距非常小,电源板照片如图5。


                               

                                                        图5 交换机电源安规失效分析


       由于地面有绝缘垫子,这样可以大大缩小搜索范围。将可疑点放在四颗螺丝钉上,这些是重点怀疑对象。将耐压测试仪输出电压设置在500VAC,挨个取下四颗螺丝。左上角取下,打耐压,仪器报警;左下角取下,打耐压,仪器还是报警;右下角取下,打耐压,仪器报警;右上角螺丝取下,打耐压,测试通过。


       那么问题点就是右上角螺丝。继续往上打,一路上到1500V 都可以通过,超过1500V 的时候仪器报警。说明在电压增大的时候还有潜在放点电。该螺丝孔的位置靠近电源进口接线柱,造成高压向螺丝孔放电,这是第一放点电。螺丝孔出在板边缘,侧面就是电源金属支架,距离非常的近,在高压下,积聚足够能量后,螺丝孔会向侧面支架放电,这是第二放电点。用绝缘材料隔离该放电点后,一直打到3000V 都可以通过测试。


       放电点找到了,解决起来要花点代价,这个板子是没法解决了。主要原因是螺丝孔到电源接线柱的位置太近,安全间距不够,需要重新layout,避开该风险。


6 小结


       安规问题是品质刚性问题,要引起足够的重视。由多个单位研发的子系统在做系统集成的时候,每个单位都要考虑到系统整机的安全问题,不能只顾自己的一亩三分田。本案单个子系统安规都没问题,可是系统集成后就出现了问题。


       在研发设计阶段要做安规设计评审。所有这些问题,在研发评审中都可以揪出来,在设计中进行规避。


 
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