劉冰樺, 周歧斌

(上海市防雷中心, 上海 201615)

電涌保護器熱穩(wěn)定性試驗的研究與分析

劉冰樺, 周歧斌

(上海市防雷中心, 上海 201615)

針對標準GB 18802.1—2011中第7.7.2.2條關(guān)于電涌保護器的熱穩(wěn)定性試驗進行了研究與分析。介紹了電涌保護器熱穩(wěn)定試驗的必要性和重要性,進行了試驗,并對試驗數(shù)據(jù)和溫度曲線進行分析。最后對現(xiàn)階段電涌保護器國內(nèi)產(chǎn)品熱穩(wěn)定性試驗的失敗原因進行了歸納和分析,為相關(guān)研發(fā)人員提供指導(dǎo)。

電涌保護器; 熱穩(wěn)定性試驗; 脫扣裝置; 溫度曲線

0 引 言

電涌保護器(Surge Protective Device,SPD)是雷電防護體系中主要保護器件之一,其運行可靠性和安全性直接影響雷電防護性能。對于限壓型SPD,其內(nèi)部核心元件壓敏電阻劣化失效后變?yōu)榈妥杌蚨搪窌r,往往會有較大的交流電流通過SPD,產(chǎn)生很高的熱量,甚至引發(fā)火災(zāi)事故。因此,一般要求SPD脫離器具有熱保護功能,其作用是將SPD與電源系統(tǒng)脫離,防止SPD因損壞、短路等故障而影響供電線路的正常工作,并發(fā)出劣化告警指示,以便提醒維護人員及時更換。

本文基于GB 18802.1—2011《低壓配電系統(tǒng)的電涌保護器 性能要求和試驗方法》,針對SPD熱容性及脫離器的可靠性進行了熱穩(wěn)定試驗。

1 SPD脫離器的工作原理

SPD在正常工作時可能發(fā)生內(nèi)部元器件劣化,從而導(dǎo)致剩余電流增大,引起內(nèi)部壓敏電阻發(fā)熱。在達到一定的溫度時,SPD脫離器能正常脫扣,并清晰指示,以便相關(guān)人員及時更換。SPD脫離器的工作原理是:當壓敏電阻剩余電流增大導(dǎo)致壓敏電阻發(fā)熱,當達到一定的溫度時熱量融化低溫焊錫或熔斷器導(dǎo)致脫離器動作。脫離器一般都是串聯(lián)在SPD保護電路中的,一旦發(fā)生脫扣,即將SPD與電源回路斷開,以保證設(shè)備的安全。連接在脫離器上的狀態(tài)顯示器顯示 SPD是在工作還是不再起作用。SPD熱穩(wěn)定試驗就是通過模擬SPD劣化后剩余電流增大這一過程,測試脫離器在溫度達到危險程度前能否安全有效地脫扣。

脫離器按受熱方式主要分為直熱脫扣和旁熱脫扣兩類。熱量直接融化低溫焊錫導(dǎo)致脫離器動作的方式屬于直熱脫扣,大部分SPD采用這種方式。通過空氣或其他介質(zhì)傳導(dǎo)至熔斷器動作的方式屬于旁熱脫扣,該方式熱量傳導(dǎo)相對較慢,因此脫扣動作需要的熱積累時間比較長。

2 樣品準備

SPD熱穩(wěn)定試驗需要同型號的三個樣品以及一個備用樣品。為了驗證樣品的基本一致性,先進行壓敏電阻的壓敏電壓測試。壓敏電阻電壓及剩余電流如表1所示。由表1確定了樣品一致性,進而進行接下來的試驗。

表1 壓敏電阻電壓及剩余電流

3 試驗方法

使用的儀器設(shè)備包括熱成像儀、熱穩(wěn)定測試儀、數(shù)據(jù)采集器。

3.1 熱穩(wěn)定試驗

僅包含電壓開關(guān)型元件的SPD不進行此項試驗。

試驗應(yīng)在每種保護模式上進行。如果某些保護模式具有相同的電路,可以在代表最薄弱配置的保護模式上進行一個單獨的試驗。試驗程序有兩種不同的設(shè)計:① 僅包括電壓限制元件的SPD,在該情況下,采用沒有開關(guān)元件與其他元件串聯(lián)的 SPD 試驗程序;② 包括電壓限制的元件和電壓開關(guān)元件的SPD,在該情況下,采用有開關(guān)元件與其他元件串聯(lián)的 SPD試驗程序。

任何與電壓限制元件串聯(lián)連接的電壓開關(guān)元件應(yīng)采用一根銅線短路,銅線直徑應(yīng)使其在試驗時不熔化。具有不同的非線性元件并聯(lián)連接的SPD,必須對SPD的每個電流路徑進行試驗,試驗時拆開/斷開其余的電流路徑。如果相同型式和參數(shù)的元件并聯(lián)連接,則應(yīng)作為一個電流路徑進行試驗。制造廠商應(yīng)提供按上述要求的試品。

沒有開關(guān)元件與其他元件串聯(lián)的 SPD 試驗程序如下:

(1) 試驗試品應(yīng)連接到工頻電源。

(2) 工頻電源電壓Uc應(yīng)足夠高,使SPD有電流流過。對于該試驗,電流調(diào)整到一個恒定值。試驗電流的誤差為±10%。試驗從2 mA(有效值)開始。

(3) 如果起始點可從2 mA變化到相應(yīng)于元件最大功耗的電流,試驗電流以2 mA或先前調(diào)節(jié)的試驗電流5%的步幅(兩者取較大值)增加。

(4) 每一步保持到達到熱平衡狀態(tài),即10 min內(nèi)溫度變化<2 K。

(5) 連續(xù)監(jiān)測SPD最熱點的表面溫度(僅對易觸及的SPD)和流過SPD的電流。最熱點可以通過初始試驗或進行多點監(jiān)測確定。

(6) 如果所有的非線性元件斷開,則試驗終止。試驗電壓不應(yīng)再增加,以避免任何脫離器故障。

試驗時,如果SPD端子間的電壓跌到低于Uc,則停止調(diào)節(jié)電流,電壓調(diào)回Uc,并保持15 min。因此,無需再進行連續(xù)的電流監(jiān)測。電源應(yīng)具有短路電流能力,在任何脫離器動作前其不會限制電流。最大可達到的電流值不應(yīng)超過制造生產(chǎn)商標稱的短路耐受能力。

有開關(guān)元件與其他元件串聯(lián)的 SPD試驗程序如下:

(1) SPD采用電壓Uc的工頻電源供電,電源應(yīng)具有短路電流能力,在任何脫離器動作前不會限制電流。最大可達到的電流值不應(yīng)超過制造生產(chǎn)商標稱的短路耐受能力。

(2) 如果沒有明顯的電流流過,應(yīng)進行沒有開關(guān)元件與其他元件串聯(lián)的SPD試驗程序。注意,沒有明顯的電流是指SPD沒有進入導(dǎo)通轉(zhuǎn)換的突變狀態(tài),即SPD保持熱穩(wěn)定。

如果脫離器動作,SPD應(yīng)有明顯的、有效和永久斷開的跡象。為了驗證該要求,應(yīng)采用工頻電壓為Uc的電源施加1 min,流過的電流不應(yīng)超過0.5 mA(有效值)。合格判別標準如下:

① 戶內(nèi)型SPD。試驗時表面溫升應(yīng)小于120 K。在脫離器動作5 min后,表面溫升不應(yīng)超過周圍環(huán)境溫度80 K。在試驗過程中,應(yīng)沒有固體材料噴濺。

② 戶外型SPD。應(yīng)沒有燃燒的跡象,且沒有固體材料噴濺。

③ 易觸及的SPD。試后,對防護等級≥IP20的SPD,使用標準是指施加5 N的力不應(yīng)觸及帶電部件,除了SPD按正常使用安裝后在試驗前已可觸及的帶電部分外。

3.2 預(yù)試驗

試驗前應(yīng)進行預(yù)試驗,在樣品上施加幾毫安的電流使樣品發(fā)熱,然后用熱成像儀測量樣品表面最高溫度,并對溫度進行標記,以確保溫度測試區(qū)域的準確性。然后,在溫度最高的區(qū)域粘若干個熱電偶(一般不少于6個),以精確測量樣品表面的溫度。

熱成像儀測得的樣品表面溫度分布如圖1所示。

圖1 熱成像儀測得的樣品表面溫度分布

4 試驗數(shù)據(jù)及其特性分析

樣品1#～3#試驗結(jié)果如表2所示。

顏色的交替排列也在這本繪本中得到了成功的運用，桔黃和黃色的交替出現(xiàn)，仿佛是一塊金色的花玻璃在陽光的照耀下熠熠生輝；圖形組合的排列對于幼兒來說難度比較大，我們在繪本中可以找到許多這樣的例子，如隨處可見的蘋果樹，樹葉和枝條組合成的樹枝和蘋果交替出現(xiàn)，顯得整齊又富有生氣，而花的葉子，斜線組合與空白部分的交替則默默地展現(xiàn)著它低調(diào)的美麗。我們就可以將其拓展成美術(shù)活動—學(xué)習(xí)間隔排列裝飾畫，發(fā)展幼兒的美術(shù)欣賞和表現(xiàn)能力。

表2 樣品1#～3#試驗結(jié)果

樣品1#的熱穩(wěn)定試驗從試驗電流2 mA(有效值)開始,以2 mA或先前調(diào)節(jié)的試驗電流5%的步幅(兩者取較大值)增加,測得其表面最高溫升>120 K,故樣品1#試驗失敗。

樣品2#與樣品1#的試驗過程相同。測得的最高溫升為93.883 K,脫扣后5 min最高溫升為53.472 K。脫離器動作后施加電壓Uc下的測量電流為0,脫離指示器顯示正確,試驗合格。

樣品3#,已知同型號脫離器動作電流擋位,故將電流調(diào)制最大功耗開始進試驗,直至脫離器動作,最高溫升為79.276 K,脫扣后5 min最高溫升為40.575 K,脫離器動作后施加電壓Uc下的測量電流為0,脫離指示器顯示正確,試驗合格。

樣品1#～3#的試驗溫度曲線如圖2～圖4所示。

圖2 樣品1#的試驗溫度曲線

圖3 樣品2#的試驗溫度曲線

圖4 樣品3#的試驗溫度曲線

由表2、圖2～圖4可以得出以下結(jié)論:

(1) 電流擋位按照2 mA逐步遞增的樣品,其所測得的溫度結(jié)果比電流從最大功耗試驗的樣品要高,所需的試驗時間也更長。

(2) 試驗溫度曲線圖中斜率上升越快的樣品,脫扣的溫度越低。

為了進一步驗證試驗結(jié)論,用樣品4#按照GB 18802.1—2011中熱穩(wěn)定試驗方法,電流擋位按2、5、10、20、40、80、160、320、640、1 000 mA逐步遞增,合格判定方法與上述相同。

樣品4#施加的電流擋位為2、5、10、20 mA,電流在20 mA時脫離器動作,最高溫升為83.284 K,脫扣后5 min最高溫升為43.184 K,脫離器動作后施加電壓Uc下測量電流為0,脫離指示器顯示正確,試驗合格。

樣品4#的試驗溫度曲線如圖5所示。由圖5可知,樣品4#電流從10 mA升至20 mA,經(jīng)過1 min,樣品脫扣,其最高溫升比樣品3#的最高溫度高4.008 K。因此,進一步證明了上述結(jié)論的正確性。

圖5 樣品4#的試驗溫度曲線

5 熱試驗失敗的原因

目前我國生產(chǎn)的SPD在GB 18802.1—2011熱穩(wěn)定試驗項目上的不合格率較高,主要原因有以下幾點:

(1) 選擇的壓敏電阻質(zhì)量較差,經(jīng)過長時間的試驗流程,發(fā)生劣化或?qū)е缕涞妥杩?從而發(fā)生擊穿或閃絡(luò),引起溫度過高,導(dǎo)致SPD樣品冒煙、碳化甚至燃燒。

(2) 脫離器工藝較粗糙,SPD樣品脫扣后無法作出明顯的脫離器指示,或脫離器指示已顯示動作,但施加電壓后仍有電流,脫離器的動作不徹底。這往往是因為焊錫融化溫度點選擇過高,導(dǎo)致SPD樣品表面溫升超過標準規(guī)定的合格值。

焊錫工藝差,樣品在接近脫開溫度點時焊錫融化不徹底,產(chǎn)生了拉絲的情況,從而樣品表面溫升超過標準規(guī)定的合格值。

(3) SPD生產(chǎn)廠商在其實驗室中進行熱穩(wěn)定試驗時不規(guī)范,未按照標準流程進行。

6 結(jié) 語

有些研發(fā)人員為了節(jié)省時間與成本,在進行熱穩(wěn)定測試時給樣品施加一個大電流,樣品瞬間脫扣就判定合格,只關(guān)注脫離器是否能正常脫開,并未關(guān)注樣品的表面溫度。本文進行了四次樣品試驗,最后測得的溫度結(jié)果差距甚大,更有樣品失敗的情況。因此,建議SPD制造廠商嚴格按照標準方法進行試驗,相同的樣品、不同的試驗方法有可能有完全不同的結(jié)果。

SPD熱穩(wěn)定試驗檢驗的是SPD熱容性與脫離器的可靠性,良好的脫離器工藝能有效地防止因SPD劣化失效而引起的火災(zāi)、爆炸等事故,它是安全性性能試驗中的一項重要的測試項目,應(yīng)引起SPD制造廠商與相關(guān)人員的重視。

[1] GB 18802.1—2011 低壓配電系統(tǒng)的電涌保護器 性能要求和試驗方法[S].

[2] 曹霞.低壓配電系統(tǒng)電涌保護器的類型[J].現(xiàn)代建筑電氣,2014,5(1):29-32.

[3] 謝歡,周歧斌.交流電涌保護器失效模擬試驗探討[J].現(xiàn)代建筑電氣,2014,5(9):43-46.

Study and Analysis of Thermal Stability Test for Surge Protective Device

LIU Binghua, ZHOU Qibin

(Shanghai Lightning Protection Center, Shanghai 201615, China)

This paper provided a study and analysis on the clause 7.7.2.2 “thermal stability test” in the standard GB 18802.1—2011.Firstly,the necessity and importance of the thermal stability test was introduced.Secondly,the test was carried on,which was analyzed with test data and temperature curves.Finally,the failure cause of this test for present SPDs in China was summarized and analyzed.It could provide

for relevant research and development personnel.

surge protective device(SPD); thermal stability test; tripping device; temperature curve

劉冰樺(1989—),男,從事防雷產(chǎn)品測試方面的工作。

TU 856

B

1674-8417(2015)02-0001-04

2014-10-13

周歧斌(1977—),男,高級工程師,從事防雷產(chǎn)品測試及雷電防護方面的研究。