次仁卓嘎 登增然登 登增扎西

(西藏日喀則地區(qū)拉孜縣氣象局,西藏拉孜 857000)

SPD的安全性對MOV的性能要求及相關(guān)檢驗方法探討

次仁卓嘎 登增然登 登增扎西

(西藏日喀則地區(qū)拉孜縣氣象局,西藏拉孜 857000)

隨著GB18802.1-2002、GB50057等標準的普及,人們對SPD安全性的重視度越來越高。本文通過對限壓型SPD的常見故障原因進行分析,尤其是對低壓配電系統(tǒng)中SPD在單相接地故障等幾種故障情況下時的破壞原理進行分析。通過上述分析后,從安全檢測角度分析了在試驗時做好安全檢測的方法。

SPD 故障原因 安全檢測方法

1 引言

隨著GB18802.1-2002、GB50057、YD/T1235、GA173等系列標準的頒布及實施推廣，各地防雷法規(guī)的日益健全完善，電涌保護器(SPD)的應用越來越普及。然而同時因SPD著火引發(fā)火災的事例時有所聞，由于SPD常用于較重要的場合或設備的防雷安全保護，事故所造成的損失巨大，不少的生產(chǎn)廠商及用戶均為此付出了昂貴的代價，在個別地區(qū)甚至造成用戶拒用或行業(yè)禁用SPD的惡劣后果。在為用戶提供防雷安全保護的同時，若不切實解決好防雷產(chǎn)品自身的安全問題，再低的殘壓、再大的通流、再小的漏流等均毫無意義。以下就應用最為普及的限壓型SPD的自身安全及其使用的核心功能元件—MOV的性能要求與相關(guān)檢測方法進行分析。

2 限壓型SPD起火原因分析

符合規(guī)范的限壓型SPD大體上由MOV芯片、熱脫離保護機構(gòu)、連接銅件、阻燃封裝外殼組成。顯然，SPD起火與MOV芯片緊密相關(guān)，要弄清楚SPD起火原因，就必須了解MOV的工作及失效原理。

2.1 MOV的工作及失效原理

電網(wǎng)系統(tǒng)正常運行時，防雷芯片(MOV)呈高阻態(tài)，不影響電網(wǎng)正常工作;當線路中因雷擊或操作引起浪涌過電壓時，MOV將以納秒級速度導通響應，迅速將過電流對地瀉放，把浪涌過電壓幅值限制在被保護設備允許承受的電平以下，使用電設備免受其害。浪涌過電壓瀉放后，MOV又恢復高阻態(tài)正常工作。

若短波浪涌能量太大，超過防雷芯片能承受的極限，容易導致MOV碎裂。若系統(tǒng)中出現(xiàn)持續(xù)性供電故障過電壓，超過防雷芯片能承受的極限，則會導致MOV持續(xù)發(fā)熱，此時若仍不能有效切斷電路，會進一步導致MOV被熱熔擊穿;而一旦MOV被熱熔擊穿，其電路等同于一個帶限流電阻的電弧放電回路[1]，極易起弧造成封裝材料燃燒起火等。

還有一種情況：強烈雷電浪涌與正常工頻電壓的聯(lián)合作用。持續(xù)強烈的雷電浪涌能量造成MOV急劇發(fā)熱(或者環(huán)境溫度太高，例如密封于鐵箱內(nèi)在日光下暴曬)，若MOV動作電壓為負溫度特性且溫度系數(shù)大，有可能造成動作電壓(U1mA)大幅下降，此時正常的工頻電壓也相當于對MOV施加了一個極高的持續(xù)過電壓，造成MOV擊穿引發(fā)火災。

2.2 國內(nèi)低壓供電系統(tǒng)易出現(xiàn)的幾種過電壓及其對MOV的影響

2.2.1 單相接地過電壓[1]

國內(nèi)供電系統(tǒng)最常見。當供電系統(tǒng)中的某一相對地短路時，其他兩相的對地電壓(220V)即上升為線電壓(380V)。這將導致Uc選值偏低的共模SPD在較短時間內(nèi)失效。只要過電壓持續(xù)時間不長、MOV的質(zhì)量較好且U1mA≥510V，這種過電壓通常均能承受或只造成SPD脫扣動作，不會釀成其他嚴重后果。

2.2.2 高低壓共地耦合轉(zhuǎn)移過電壓

由于配電變壓器高壓和低壓共用一地，當高壓側(cè)發(fā)生通過PE的故障接地時，會出現(xiàn)一個幅值很高的過電壓，通過共用地耦合轉(zhuǎn)移到低壓系統(tǒng)，使得低壓供電系統(tǒng)出現(xiàn)幅值很高的轉(zhuǎn)移過電壓，此種過電壓幅值很高且持續(xù)時間長，易在數(shù)秒內(nèi)在SPD的熱脫離機構(gòu)尚未及動作前就已將MOV熱擊穿失效，易造成起弧、起火等。

2.2.3 失零過電壓

低壓供電系統(tǒng)的中性線由于各種原因斷線后，即產(chǎn)生失零過電壓。此時相電壓輸出變?yōu)榫€電壓輸出，各相電壓皆由不同的負載分布決定。此種情況下的過電壓有時達700V或更高，如此即使將SPD的最大允許工作電壓Uc選為420V(U1mA=680V±)，采用差模連接SPD中的MOV也將在數(shù)秒內(nèi)被直接擊穿，熱脫離機構(gòu)來不及動作，易造成起弧、起火等。

表1 高溫穩(wěn)定性檢驗表

表2 暫時過電壓耐受特性檢驗表

3 對MOV的性能要求及相關(guān)檢測方法

3.1 對MOV的性能要求

顯然，作為瞬態(tài)浪涌過電壓保護器，我們必須要重視SPD的保護效果，選用殘壓低、通流量大的MOV芯片;但是同時我們更要注意SPD產(chǎn)品自身的安全性，防止在無雷擊情況下出現(xiàn)SPD的起火自燃及由此而引發(fā)火災，否則無法對用戶交待，對行業(yè)的發(fā)展必然產(chǎn)生負面影響。作為SPD的核心功能元件，對MOV如下四個方面都進行考核是必要的：

(1)8/20μS通流能力及殘壓：包含標稱放電電流和最大放電電流考核。對SPD中常用的34S型MOV，只要達到20kA×20次+40kA×2次、U20kA/U1mA≈2.5就可以了，不宜在單項指標上過多追求。(2)高溫穩(wěn)定性：包含動作電壓U1mA在一定范圍內(nèi)的溫度特性及其系數(shù)、泄漏電流的高溫穩(wěn)定性。(3)暫時過電壓的耐受特性：此項指標應當根據(jù)實際情況，考核在暫時過電壓下MOV發(fā)熱熔脫焊點以切斷電路的能力。

3.2 高溫穩(wěn)定性檢測方法探討

高溫穩(wěn)定性主要考核芯片在較高溫度下的動作電壓及泄漏電流穩(wěn)定性。MOV的老化失效與其負載荷電率緊密相關(guān)，荷電率的計

以如下三個指標來考核高溫穩(wěn)定性：

一般而言，正溫度系數(shù)MOV的高溫穩(wěn)定性更好(如表1）。

必須指出，在承受8/20μs沖擊后的高溫穩(wěn)定性更加重要。

3.3 暫時過電壓耐受特性的檢測方法探討

暫時過電壓是由于供電故障而引起的持續(xù)性過電壓，作為瞬態(tài)浪涌過電壓保護器件的SPD對此是無能為力的。當系統(tǒng)中出現(xiàn)暫時過電壓時對SPD的要求要么是不動作，能夠承受(幅值較小時);要么是迅速脫離，切斷流經(jīng)SPD的電路(幅值較高時)，不得起火燃燒?？紤]到各SPD生產(chǎn)廠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差異大、技術(shù)水平良莠不齊，我們認為采用如下方法對MOV在暫時過電壓下的脫離能力進行考核較為合適：將兩引出電極片用63A焊錫(183℃)與芯片銀面焊接好后連接導線，導線與芯片間施加200g外張力，施加1.1倍U1mA的交流電壓(有效值)，錫焊接處熔化、導線或電極片與芯片脫離接觸切斷電路。以芯片不出現(xiàn)擊穿或其它目視可見的機械損傷為合格。過程中應在芯片下方墊軟物以防止脫落時摔破損（如表2）。

同樣，考核承受8/20μS沖擊后的暫時過電壓耐受能力更加重要。

4 結(jié)語

作為瞬態(tài)浪涌過電壓保護器件，SPD不僅要重視其保護效果(要求較低的殘壓、較大的通流)，更要重視其自身的安全性能。在保護效果相差不大的情況下，應當優(yōu)先選擇安全性能好的產(chǎn)品。對MOV的性能要求要綜合考慮保護效果、安全性能、壽命特性等，不能犧牲其它方面來過多追求某一方面。

[1]郭亞平等.氧化鋅壓敏電阻用于低壓供電系統(tǒng)的起火原因及解決對策[C].第十一屆壓敏學術(shù)年會暨海峽兩岸首次技術(shù)研討會?？?P25.