限壓型電涌保護(hù)器的性能分析及對(duì)策

余昌松1/ 殷春生2/ 王華卿1/ 裘文君2(1. 淳安縣氣象局， 浙江 淳安 311700；2. 富陽(yáng)市氣象局，浙江 富陽(yáng) 311400)

摘要低壓供電系統(tǒng)中暫態(tài)過(guò)電壓將對(duì)電涌保護(hù)器的運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響，這也是引起限壓型SPD失效起火和限壓型SPD電氣性能差、造成終端設(shè)備損壞的最主要原因，針對(duì)電涌保護(hù)器(SPD)自身存在的防雷安全問題，介紹了限壓型電涌保護(hù)器的工作原理，結(jié)合限壓型電涌保護(hù)器中氧化鋅壓敏電阻的特點(diǎn)，介紹熔斷器的分類和參數(shù)選擇要求，提出了限壓型SPD在使用過(guò)程中與熔斷器的匹配方法，為合理選擇熔斷器提供借鑒。

關(guān)鍵詞電涌保護(hù)器 氧化鋅壓敏電阻 暫態(tài)過(guò)電壓 熔斷器

AbstractOvervoltage in transient voltage power supply system has some effect on the running of surge protectors, which causes the poor performance and failure on fire in voltage limiting type SPD， and the damage of terminal devices. Aiming at the lightning protection security problems existing in SPD, the working principle of voltage limiting type SPD is introduced. Combining with the characteristics of ZnO varistors, the classification and the parameter selections of fuses are introduced, and the matching method with SPD is presented, which provides reasonable choice of fuses for reference.

Keywordsurge protectors, zinc oxide varistor, transient overvoltage, fuses

作者簡(jiǎn)介

0引言

安裝在供電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器(SPD)是保護(hù)電氣、電子設(shè)備的重要防雷設(shè)備，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，且具有通流容量大、響應(yīng)速度快、無(wú)工頻續(xù)流、能任意組合等優(yōu)良特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。但電涌保護(hù)器(SPD)自身存在防雷安全問題，甚至還會(huì)出現(xiàn)SPD起火自燃，嚴(yán)重危害設(shè)備的安全。因此電涌保護(hù)器(SPD)在為電氣設(shè)備提供雷電防護(hù)的同時(shí)，必須解決好SPD自身的防雷安全問題。下面就限壓型SPD的核心元件——氧化鋅壓敏電阻的自身使用安全問題進(jìn)行分析研究提出使用對(duì)策。

1限壓型SPD的工作原理

并聯(lián)安裝在電源線路中的電涌保護(hù)器(SPD)，當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，氧化鋅壓敏電阻呈高阻狀態(tài)，電網(wǎng)工作正常；而當(dāng)線路受雷擊或電源波動(dòng)引起浪涌過(guò)電壓，其浪涌電壓幅值達(dá)到SPD啟動(dòng)電壓時(shí)，氧化鋅壓敏電阻呈低阻狀態(tài)而導(dǎo)通，對(duì)地迅速泄放過(guò)電流，限制浪涌過(guò)電壓幅值在被保護(hù)設(shè)備允許承受的電平以下，保護(hù)電氣、電子設(shè)備的使用安全，浪涌過(guò)電壓泄放后，氧化鋅壓敏電阻呈現(xiàn)高阻態(tài)，電路恢復(fù)正常工作[1，2]。

2低壓供電系統(tǒng)中暫態(tài)過(guò)電壓(TOV)產(chǎn)生的原因及對(duì)電涌保護(hù)器(SPD)的影響

低壓供電系統(tǒng)中的暫態(tài)過(guò)電壓(TOV)，是低壓供電系統(tǒng)自身所產(chǎn)生的，其幅值大大超出正常的工作電壓，有時(shí)可能是正常工作電壓的幾倍，持續(xù)時(shí)間要超出瞬態(tài)過(guò)電壓的微秒級(jí)，在數(shù)百毫秒級(jí)至數(shù)秒級(jí)之間，甚至更長(zhǎng)，足以造成氧化鋅壓敏電阻熱擊穿起弧、起火。主要有以下三種情況。

2.1單相接地過(guò)電壓

在低壓供電系統(tǒng)一相對(duì)地短路，造成其他兩相對(duì)地電壓升高為線電壓( 380V)。此時(shí)單相接地持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，氧化鋅壓敏電阻的質(zhì)量較好且參考電壓U1mA≥510V時(shí)，可能不會(huì)釀成其他嚴(yán)重后果，只造成SPD脫扣動(dòng)作。否則，就會(huì)造成氧化鋅壓敏電阻熱擊穿短路起弧、起火。

2.2共地耦合轉(zhuǎn)移過(guò)電壓

由于配電變壓器的高低壓共用接地系統(tǒng)，當(dāng)高壓側(cè)發(fā)生故障接地時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)幅值很高的持續(xù)高電壓,因SPD的熱脫離機(jī)構(gòu)來(lái)不及工作，可能造成氧化鋅壓敏電阻熱擊穿短路。

2.3失零過(guò)電壓

由于某種原因造成低壓供電系統(tǒng)中性線斷路，即產(chǎn)生失零過(guò)電壓。此時(shí)輸出的相電壓變成線電壓，其電壓值可以高達(dá)700V以上，在數(shù)秒鐘內(nèi)就造成氧化鋅壓敏電阻熱擊穿，易造成起弧、起火。

3引起限壓型SPD失效起火的原因

限壓型SPD主要由氧化鋅壓敏電阻芯片(MOV)、熱脫離保護(hù)機(jī)構(gòu)、連接銅件及阻燃封裝外殼等組成[3]。安裝在電源線路中的SPD，任何時(shí)候都要承受電源電壓的嚴(yán)重考驗(yàn)。其一是低壓供電系統(tǒng)中的暫態(tài)過(guò)電壓(TOV)，其二是雷擊過(guò)電壓與正常工頻電壓的疊加作用，此時(shí)正常的工頻電壓相當(dāng)于對(duì)氧化鋅壓敏電阻施加了一個(gè)極高的持續(xù)過(guò)電壓，造成氧化鋅壓敏電阻被熱熔擊穿。氧化鋅壓敏電阻被擊穿后,造成短路起弧、起火燃燒、損壞設(shè)備、引發(fā)火災(zāi)[4]。

雖然SPD自身帶有熱脫離保護(hù)裝置，但最近幾年收集到許多損壞的樣品中，發(fā)現(xiàn)損壞的SPD的MOV中，基本都有大電流燒穿的熔洞。這說(shuō)明大部份SPD模塊損壞的主要原因是：脫扣機(jī)構(gòu)未能有效地及時(shí)脫開，造成SPD內(nèi)的MOV基片擊穿，引起工頻電流短路。而基于低溫焊錫的脫扣器，需要溫度升高達(dá)到或超過(guò)焊錫的熔點(diǎn)才能將焊錫熔化，脫扣器動(dòng)作要有一個(gè)溫度升高和加熱熔化的時(shí)間過(guò)程。因此，熱脫離保護(hù)裝置是不能解決電涌保護(hù)器自身的安全問題的。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器(SPD)第1 部分：性能要求和試驗(yàn)方法》(GB 18802.1-2002)(IEC 61643-1)第3章第3.29 條注釋描述“這種斷開裝置不需要具有隔離能力，它防止系統(tǒng)持續(xù)故障并可用來(lái)給出SPD 故障的指示”[5]，即脫扣器只能解決基片老化引起的SPD元件失效問題，不能消除電涌保護(hù)器自身的安全問題。

4限壓型SPD電氣性能差造成終端設(shè)備損壞

限壓型SPD中由于各種氧化物機(jī)械摻雜的不均勻和高溫?zé)Y(jié)時(shí)出現(xiàn)的不完全反應(yīng)，都會(huì)造成限壓型SPD氧化鋅壓敏電阻芯片(MOV)之間電氣性能差異，特別是參考電壓和動(dòng)態(tài)電阻的不匹配。安裝在電源線路中的限壓型SPD，當(dāng)線路中因雷擊或電源波動(dòng)引起的浪涌過(guò)電壓達(dá)到SPD啟動(dòng)電壓時(shí)，限壓型SPD中氧化鋅壓敏電阻某一芯片首先導(dǎo)通,迅速將過(guò)電流對(duì)地泄放,被限制在某一低電位，而其余的氧化鋅壓敏電阻芯片未導(dǎo)通，把浪涌過(guò)電壓傳播到設(shè)備端，使設(shè)備承受比雷擊或電源波動(dòng)引起的浪涌過(guò)電壓更高的浪涌過(guò)電壓，造成終端設(shè)備的損失。

氧化鋅壓敏電阻通過(guò)多片的并聯(lián)組合，提高其通流量和抗擊雷擊電流的能力，但是不同配方組成的MOV基片的電氣性能存在差異，即使同配方組成的MOV基片的電氣性能也存在差異，在組裝SPD時(shí)，要求盡可能選擇壓敏電阻芯片的參考電壓、動(dòng)態(tài)電阻等電氣參數(shù)基本相等(參考電壓≤5V)，否則可能出現(xiàn)差模過(guò)電壓對(duì)被保護(hù)設(shè)備的損壞，特別是在檢查維修時(shí)發(fā)現(xiàn)，SPD中某一芯片損壞時(shí)，應(yīng)當(dāng)整體更換SPD，而不應(yīng)該只更換某一芯片(相同型號(hào))。

5SPD與熔斷器的配合使用

5.1電涌保護(hù)器與熔斷器的配合使用

電涌保護(hù)器在抑制雷電過(guò)電壓的同時(shí)，會(huì)泄放很大的暫態(tài)電流，對(duì)電涌保護(hù)器自身的防雷安全是一個(gè)嚴(yán)重考驗(yàn)，因此要根據(jù)電路的實(shí)際情況將電涌保護(hù)器與熔斷器配合使用，對(duì)電涌保護(hù)器自身防雷安全加以限流保護(hù)，避免發(fā)生熱損壞。但熔斷器自身存在的電阻和電感無(wú)疑會(huì)增加SPD保護(hù)回路的殘壓[6]。業(yè)內(nèi)人士通過(guò)測(cè)試表明：引入熔斷器后將使被保護(hù)回路的殘壓增加10%～25%[7]，這是在SPD設(shè)計(jì)安裝時(shí)必須考慮的問題。電涌保護(hù)器與熔斷器配合使用的電路原理圖見圖1[8]。

圖1　電涌保護(hù)器與熔斷器的配合使用的電路原理圖

5.2SPD前端熔斷器參數(shù)的選擇

SPD前端串聯(lián)熔斷器的選擇應(yīng)符合兩個(gè)要求：一方面要能耐受極大的雷電放電流而不熔斷，另一方面在較大工頻續(xù)流情況下能熔斷。就是要保證電涌電流的正常泄放，同時(shí)又要求電涌保護(hù)器在抑制暫態(tài)過(guò)電壓的過(guò)程中，吸收的能量超過(guò)其額定容量極限或在承受超過(guò)其額定電壓時(shí)，工頻續(xù)流增大，導(dǎo)致氧化鋅壓敏電阻溫度升高，在可能造成電涌保護(hù)器發(fā)生爆炸、短路之前及時(shí)切斷電源電路的功能，以對(duì)電涌保護(hù)器實(shí)施保護(hù)作用[9]。熔斷器的選擇：必須保證保護(hù)回路故障熔斷器2熔斷，熔斷器1完好，主電路仍能正常工作，同時(shí)還應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮。

5.2.1熔斷器的分類

熔斷器按保護(hù)形式可分為過(guò)電流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)。用于過(guò)電流保護(hù)的熔斷器通常叫保險(xiǎn)絲，也叫限流保險(xiǎn)絲。用于防止發(fā)熱或易發(fā)熱電器過(guò)熱保護(hù)的熔斷器叫溫度保險(xiǎn)絲。

按熔斷速度分為特慢速熔斷器、慢速熔斷器、中速熔斷器、快速熔斷器及特快速熔斷器。對(duì)電流特別敏感的電子或電氣元件應(yīng)使用快速或特快速熔斷器；而對(duì)短時(shí)過(guò)載或浪涌電流比較大的電氣線路應(yīng)使用慢速熔斷器。慢速熔斷器的熔體是經(jīng)特殊處理的，在脈沖電路中既可以作短路保護(hù)又具備過(guò)載保護(hù)的功能。這種經(jīng)特殊處理的熔斷器是與電涌保護(hù)器配合使用的理想選擇。

5.2.2 熔斷器額定電壓

熔斷器額定電壓是熔斷器的最高工作電壓。就是說(shuō)熔斷器只能在低于或等于熔斷器額定電壓的電路中工作。否則，可能出現(xiàn)熔斷器被高壓擊穿或持續(xù)飛弧危害電氣線路的現(xiàn)象。熔斷器額定電壓的選取應(yīng)當(dāng)滿足公式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中，UC為熔斷器額定電壓；UCS為電網(wǎng)的最大持續(xù)運(yùn)行電壓；UT(t)為SPD的暫態(tài)過(guò)電壓耐受值，其值與時(shí)間有關(guān)；UTOV(t)為電路中產(chǎn)生的過(guò)電壓值，其與時(shí)間有關(guān)。

熔斷器額定電壓的選擇應(yīng)符合以下幾點(diǎn)[10]：

1)三相電路熔斷器額定電壓應(yīng)按額定線電壓選取。

2)單相線路系統(tǒng)熔斷器額定電壓按最高相電壓的115%選擇。

3)三相中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)或諧振接地系統(tǒng)，因可能發(fā)生系統(tǒng)的雙接地故障(故障點(diǎn)分別出現(xiàn)在電源側(cè)和負(fù)載側(cè)、且不同相)，熔斷器額定電壓應(yīng)按最高線電壓選擇。

5.2.3熔斷器額定電流

熔斷器的動(dòng)作具有反時(shí)限特性，即熔體熔斷所需要的時(shí)間是與通過(guò)的電流大小成反比，小電流是不會(huì)熔斷熔體的；每一熔體都對(duì)應(yīng)一個(gè)最小熔化電流，最小熔化電流會(huì)受環(huán)境溫度影響有所變化，但在實(shí)際使用中不予考慮。通常定義熔體的最小熔化電流與額定電流之比為最小熔化系數(shù)。一般取最小熔化系數(shù)≥1.25，即額定電流為10A的熔體在12.5A以下不會(huì)熔斷，具體應(yīng)依據(jù)SPD安裝位置以及供電系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障電流來(lái)確定。

熔斷器要保證電涌保護(hù)器能泄放極大的雷電流而不熔斷，因此熔斷器的熔斷電流值要與電涌保護(hù)器的最大通流容量相配合[8]，并滿足公式(3)。

W=I2RT

(3)

式中，W為能量；I為電流值；T為通過(guò)電流的時(shí)間；R為導(dǎo)體電阻值。

根據(jù)能量守恒定律，則有：

(4)

式中，I1為雷電流威脅值，T1為雷電波持續(xù)時(shí)間，為微秒級(jí)；R1為SPD導(dǎo)通時(shí)的電阻；I2為熔斷器熔斷電流的取值；T2為熔斷器的熔斷時(shí)間，為秒級(jí)；R2為熔斷器的電阻值，該電阻值大小與溫度、熔斷電流值的大小等有關(guān)。

公式(4)是選擇熔斷器額定電流是否正確的判斷依據(jù)。

5.2.4熔斷器額定熔化熱能

熔斷器的額定熔化熱能是指熔斷器熔體熔化所需要的能量值，是熔斷器抗雷擊浪涌能力的重要技術(shù)指標(biāo)，熔斷器的額定熔化熱能越大，說(shuō)明熔斷器抗擊雷電能力越強(qiáng)，熔斷器熔斷所需要的雷擊電流越大，熔斷器熔斷時(shí)間越長(zhǎng)[11]。雖然雷電過(guò)電流持續(xù)的時(shí)間很短，但是雷擊產(chǎn)生的熱能是巨大的，因此選擇熔斷器時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮最大雷擊電流的熱能值。

熔斷器的抗雷擊浪涌能力測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)[8]如表1所示。

表1　熔斷器的抗雷擊浪涌能力測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1可以看出,額定電流值大的熔斷器所能承受的雷電流峰值不一定大，其抗雷擊能力與額定電流的大小沒有直接關(guān)系。

在熔斷器與電涌保護(hù)器配合使用時(shí)，存在著是否匹配的問題。理想的情況應(yīng)該是熔斷器不降低線路的抗雷擊能力，同時(shí)又保證電涌保護(hù)器抑制強(qiáng)烈雷電過(guò)電壓又免于損壞[9]。但事實(shí)上是很難實(shí)現(xiàn)上述理想的搭配，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)電路額定的工作電壓、電流和電路抗擊雷電流的能力，再結(jié)合上述四個(gè)方面來(lái)選擇確定熔斷器的各種參數(shù)，采用熔斷器加電涌保護(hù)器的方案，實(shí)現(xiàn)過(guò)流和浪涌保護(hù)。

6結(jié)束語(yǔ)

在選擇使用電涌保護(hù)器時(shí)，不僅要重視其保護(hù)效果，選用殘壓低、通流量大的氧化鋅壓敏電阻芯片，而且要關(guān)注SPD自身的安全問題, 絕對(duì)不能有起火燃燒的跡象或SPD部件爆炸彈出的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)電涌保護(hù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、出現(xiàn)故障的原因分析，提出了熔斷器與浪涌保護(hù)配合使用的方法，并對(duì)熔斷器進(jìn)行系統(tǒng)分析，為合理選擇熔斷器提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50057-2010)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

[2]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范(GB 50343-2012)[S].北京：中國(guó)建筑出版社，2013.

[3]費(fèi)自豪.壓敏防雷芯片技術(shù)及應(yīng)用[Z].貴州飛舸電子有限公司.2006.10-28.

[4]中國(guó)賽寶(總部)實(shí)驗(yàn)室.電子產(chǎn)品的安全要求、試驗(yàn)與設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2004.

[5]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器(SPD)第1部分：性能要求和試驗(yàn)方法(GB 18802.1-2011)[S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[6]范文增.模塊化限壓型電涌保護(hù)器SPD安全性能分析[J].科技傳播，2012，04，23.

[7]李祥超,趙學(xué)余,王羽飛，等.電涌保護(hù)器( SPD)的安全性能分析及其解決措施[J].氣象教育與科技，2007，30(3)：33-37.

[8]全宇辰，候越.電涌保護(hù)器(SPD)后備保護(hù)電路選用的討論[J].電氣工程應(yīng)用.2008(3)：43-47.

[9]李慶君,秦兆軍,李艷娜等.電涌保護(hù)器與其斷路保護(hù)裝置的能量配合[J].內(nèi)蒙古氣象，2010(2)：61-62.

[10]黃鵬程,李韋霖,于瑞平,等.電涌保護(hù)器(SPD)在防雷工程中的應(yīng)用分析[J].甘肅科技，2013，(22)：54-56.

[11]關(guān)玉忱,高壓限流熔斷器熔斷故障及防治[J].中國(guó)電力，1995(3)：72-74.

余昌松

工程師，防雷中心主任，現(xiàn)就職于淳安縣氣象局，主要研究方向?yàn)槔纂姺雷o(hù)技術(shù)。

殷春生

工程師，防雷所長(zhǎng)，現(xiàn)就職于富陽(yáng)市氣象局，主要研究方向?yàn)槔纂姙?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

王華卿

工程師，在職研究生，現(xiàn)就職于淳安縣氣象局，從事雷電防護(hù)技術(shù)研究。

裘文君

助理工程師，現(xiàn)就職于富陽(yáng)市氣象局，從事雷電防護(hù)技術(shù)研究。

Discussion on Lightning Protection Design of Pyrotechnics Storage Area

Zheng Haixiang / Liu Deshang / Xing Sudan / Lin Nianping