李天密, 鮑舒耕, 黃貴君, 任 怡, 趙 強(qiáng), 楊國華

(四川中光防雷科技股份有限公司, 四川 成都 611730)

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包含壓敏電阻元件的低壓交流電涌保護(hù)器失效模式分析

李天密, 鮑舒耕, 黃貴君, 任 怡, 趙 強(qiáng), 楊國華

(四川中光防雷科技股份有限公司, 四川 成都 611730)

從壓敏電阻(MOV)失效模式相關(guān)的電涌保護(hù)器(SPD)失效、SPD選用不合理導(dǎo)致的失效以及設(shè)計、制造不當(dāng)及應(yīng)用環(huán)境多樣化造成SPD的失效方面分析了SPD的失效原因,并提出了相應(yīng)的驗證措施和解決方案,提高了包含MOV元件的低壓交流SPD的可靠性,從而更好地為電力系統(tǒng)和設(shè)備提供可靠的安全防護(hù)。

電涌保護(hù)器; 失效模式; 結(jié)構(gòu)性破壞失效; 可靠性

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,微電子技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用,設(shè)備對電涌的耐受能力相對降低,包含壓敏電阻(MOV)元件的低壓交流電涌保護(hù)器(Surge Protective Device,SPD)(簡稱MOV型電源SPD)被廣泛用于郵電通信、電力、鐵道、機(jī)場、石化、工民建筑等領(lǐng)域[1-2]。隨著MOV型電源SPD的大量使用,由SPD引發(fā)火災(zāi)事故的現(xiàn)象日漸凸顯起來。同時,IEC 61643-11:2011《低壓電涌保護(hù)器 第11部分:低壓電力系統(tǒng)的電涌保護(hù)器性能要求和試驗方法》[1]和UL 1449等SPD標(biāo)準(zhǔn)也在不斷針對SPD失效安全性的相關(guān)測試方法進(jìn)行改善,但還存在SPD起火燃燒以及正常使用條件下出現(xiàn)脫扣失效的現(xiàn)象,使設(shè)備失去了應(yīng)有的電涌防護(hù),造成了較高的經(jīng)濟(jì)損失和維護(hù)成本。

1 與MOV失效模式相關(guān)的SPD失效

在現(xiàn)場使用中,連續(xù)工作電壓、暫時過電壓(TOV)、操作過電壓和電涌電流等電應(yīng)力,以及溫度交變和異常氣候等環(huán)境條件,都會導(dǎo)致MOV失效。

1.1 工作性能劣化失效

用于工作性能劣化失效的判據(jù)主要有以下幾種類型:

(1) 壓敏電阻電壓相對于初始值的下降,超過了規(guī)定百分?jǐn)?shù)(一般規(guī)定10%)。

(2) 殘壓相對于初始值的上升,超過了規(guī)定百分?jǐn)?shù)(一般規(guī)定10%)。

(3) 剩余電流爬升,即直流剩余電流或交流阻性電流或功耗值在觀測時間內(nèi)持續(xù)增大。

以上三項通常都是同時發(fā)生,在剩余電流爬升的初始階段,壓敏電阻的性能劣化程度較低,對于保護(hù)效果也不會出現(xiàn)明顯的降低。一旦壓敏電阻的劣化開始出現(xiàn),后期的劣化將是持續(xù)、加速的過程,保護(hù)效果也會降低,甚至失去相應(yīng)的保護(hù)作用,比如殘壓升高,而這種情況也是壓敏電阻性能劣化的主要表現(xiàn),對于IEC 61643-11:2011中在雷擊測試和過電壓測試后,確保重復(fù)測試殘壓值

IEC 61643-11:2011和YD/T 1235.2—2002《通信局(站)低壓配電系統(tǒng)用電浪涌保護(hù)器 技術(shù)測試方法》[2-3]中的熱穩(wěn)定性試驗就是考核SPD該類失效安全性的試驗。

1.2 常見的結(jié)構(gòu)性破壞失效

(1) 封裝層開裂,因為金屬電極的熱脹系數(shù)比ZnO陶瓷體大得多,因此在溫度交變或重復(fù)脈沖電流試驗中,金屬電極邊沿處的封裝層易發(fā)生開裂。

(2) 銀層燒蝕,特別是焊接在銀電極層上的引出線周圍或銀層本身的邊沿部位,易出現(xiàn)被大電流燒蝕的現(xiàn)象。這種故障有時不能通過電性能測試發(fā)現(xiàn),只有去掉封裝層才能看到。

(3) 金屬電極與銀層剝離,或銀層與陶瓷元件剝離。

(4) 陶瓷體開裂,局部過熱或大脈沖電流產(chǎn)生的熱彈性應(yīng)力會使陶瓷體開裂。這種失效在絕大多數(shù)情況下不會引起MOV兩電極間短路,以開路失效為主,但也發(fā)現(xiàn)過因電極的焊料流入裂口而導(dǎo)致短路的情況,其出現(xiàn)的概率極小。

(5) 陶瓷體穿孔,由于穿孔處的材料已變成低電阻,因此絕大多數(shù)表現(xiàn)為短路失效,但也有個別情況,因孔周圍沒有銀電極而表現(xiàn)為開路失效。

(6) 陶瓷體側(cè)面閃絡(luò),單位厚度壓敏電壓高,側(cè)面絕緣處理不好的產(chǎn)品,在窄脈沖大電流沖擊下易出現(xiàn)這種故障。

結(jié)構(gòu)性破壞失效中對SPD安全影響比較大的是陶瓷體穿孔后形成的短路失效,電網(wǎng)的短路電流將會瞬間流入MOV。從內(nèi)部測試的情況來看,如果MOV通過幾十安培至上百安培的短路電流,將會在幾十至幾百毫秒內(nèi)擊穿,而前置的熔斷器或斷路器來不及動作。

IEC 61643-11:2011中的短路性能試驗就是考核SPD短路失效模式的相關(guān)試驗,包括以下兩項:

(1) 用銅塊替代MOV后進(jìn)行的額定短路電流試驗和低短路電流試驗。銅塊替代MOV后,在通過同樣電壓、電流的情況下,將不會出現(xiàn)陶瓷體開裂、穿孔失效時所產(chǎn)生的陶瓷體局部溫度瞬間升高、擊穿、噴濺等可以完全破壞SPD脫離機(jī)構(gòu)和內(nèi)部電氣絕緣的現(xiàn)象,所以該項試驗和實際使用中的情況相差甚遠(yuǎn)。

(2) 模擬SPD失效模式的附加試驗。最大持續(xù)工作電壓Uc不超過440 V的SPD,施加1 200 V電壓;Uc高于440 V的SPD,施加等于3Uc的電壓;預(yù)備電壓施加的時間為5 s,電源的預(yù)期短路電流應(yīng)調(diào)整為1～20 A(RMS)(最大持續(xù)工作電壓)。

從試驗的情況看,施加同樣電壓情況下,電流越大,對MOV的破壞越嚴(yán)重;同樣短路電流的情況下,電壓越高,對SPD絕緣要求越高。

針對含有1 mA下導(dǎo)通電壓620 V、34 mm×34 mm MOV方片的SPD,當(dāng)施加電壓分別為AC 800 V、1 000 V、1 200 V,預(yù)期短路電流為20 A、50 A、100 A時,測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 測試結(jié)果

因此,該項試驗可以考慮將預(yù)期短路電流提高到50 A或者100 A,而不規(guī)定施加電壓,而規(guī)定流過SPD的短路電流達(dá)到規(guī)定的預(yù)期短路電流,更接近實際應(yīng)用中的情況。

2 SPD選用不合理導(dǎo)致的失效

SPD在使用時一定要了解被保護(hù)設(shè)備的電壓情況,尤其是應(yīng)用在特殊電氣系統(tǒng)中,如雙饋風(fēng)機(jī)應(yīng)用中,變流器轉(zhuǎn)子側(cè)由于脈寬調(diào)制,重復(fù)出現(xiàn)不能被濾波器完全消除的尖峰陡脈沖。在L-PE之間會反復(fù)出現(xiàn)1.7 kV、陡度為1.4 kV/μs的瞬時電壓,在應(yīng)用中如果SPD標(biāo)稱導(dǎo)通電壓(1 mA)低于該值,就會出現(xiàn)SPD頻繁導(dǎo)通的情況,從而加快SPD的劣化,縮短SPD的壽命。因此,用于轉(zhuǎn)子L-PE保護(hù)的SPD導(dǎo)通電壓>1.7 kV。對于低壓SPD,目前MOV的最高標(biāo)稱導(dǎo)通電壓為1 800 V±10%,即1 620～1 980 V,所以單獨(dú)采用MOV的SPD已無法滿足防護(hù)安全需要。為了達(dá)到防護(hù)安全需求,L-PE之間采用壓敏串聯(lián)氣放管的方式,來提高導(dǎo)通電壓,避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。

3 設(shè)計、制造不當(dāng)及應(yīng)用環(huán)境多樣化造成SPD的失效

目前各廠家為了實現(xiàn)SPD短路失效時能夠安全脫扣,在脫扣機(jī)構(gòu)的設(shè)計上都進(jìn)行了大量驗證和改進(jìn)工作,如圖2所示。

無論采用什么樣的脫扣裝置,低溫焊接部分都會受到不同大小、不同方向的作用力,如果低溫脫扣點的焊接沒有控制好,則導(dǎo)致SPD的脫離機(jī)構(gòu)在正常工作下動作。特別是隨著SPD應(yīng)用越來越廣泛,其所應(yīng)用的環(huán)境也在不斷多樣化。一般低溫焊錫多采用138 ℃等級,現(xiàn)在有些應(yīng)用環(huán)境的溫度甚至已達(dá)到105 ℃,甚至有些應(yīng)用環(huán)境還伴有振動或者運(yùn)動的情況,這些應(yīng)用環(huán)境因素都會對SPD低溫脫扣點的焊接質(zhì)量要求越來越高,如果不事先進(jìn)行相關(guān)的環(huán)境可靠性試驗,必然會出現(xiàn)SPD的脫離機(jī)構(gòu)在正常工作下動作失效[4]。

圖2 脫扣機(jī)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)

目前已針對SPD應(yīng)用環(huán)境的多樣化,針對性地進(jìn)行了包括低溫工作、高溫工作、溫度循環(huán)、高溫高濕、交變濕熱、低溫極限、高溫極限、工作振動、工作沖擊、翻滾等試驗,如圖3所示。

通過不斷地改進(jìn)脫扣設(shè)計和焊接工藝,最終滿足了相關(guān)要求,在客戶端的應(yīng)用也得到了很好的驗證和認(rèn)可。

4 結(jié) 語

SPD的失效主要和其內(nèi)部MOV的失效、合理的選用以及設(shè)計、制造工藝技術(shù)的不當(dāng)?shù)纫蛩赜嘘P(guān)。為了提高SPD安全可靠性和環(huán)境可靠性,有以下幾點建議:

(1) 針對MOV的失效,建議MOV廠家不斷改進(jìn)其制造工藝水平,提高M(jìn)OV的沖擊耐受能力和工頻耐受特性,降低陶瓷體穿孔時造成的噴濺、燃燒程度,降低MOV短路失效時對SPD內(nèi)部絕緣和脫扣機(jī)構(gòu)的破壞程度。

圖3 有針對的試驗

(2) IEC 61643-11:2011中短路性能試驗,雖然已增加了模擬SPD失效模式的附加試驗,但是希望能夠盡快盡量結(jié)合實際應(yīng)用情況,研究制定出更切合實際、經(jīng)得起考驗的測試方法,從而整體提高SPD安全可靠性水平。

(3) SPD制造商和用戶之間多溝通互動,用戶盡量將現(xiàn)場的應(yīng)用環(huán)境告知SPD制造商,主要包括是否存在重復(fù)脈沖尖峰電壓,工作環(huán)境的溫度/濕度情況,是否存在機(jī)械振動環(huán)境等。SPD制造商通過相關(guān)的評估推薦合適的SPD產(chǎn)品,避免由于選用不當(dāng)導(dǎo)致SPD的失效。

(4) SPD制造商盡量將脫扣機(jī)構(gòu)中的焊接工藝自動化,不斷提升工藝技術(shù)水平,減少人工操作帶來的相關(guān)風(fēng)險,提高產(chǎn)品生產(chǎn)的一致性,避免由于制造工藝技術(shù)問題導(dǎo)致的SPD失效。

總之,要不斷提高M(jìn)OV型電源SPD的安全可靠性和環(huán)境可靠性,減少由于SPD失效故障所造成的經(jīng)濟(jì)損失和安全事故,更好地為電力系統(tǒng)和設(shè)備提供高可靠的安全防護(hù)。

[1] 低壓電涌保護(hù)器 第11部分:低壓電力系統(tǒng)的電涌保護(hù)器性能要求和試驗方法:IEC 61643-11:2011[S].

[2] 通信局(站)低壓配電系統(tǒng)用電浪涌保護(hù)器 技術(shù)要求:YD/T 1235.1—2002[S].

[3] 通信局(站)低壓配電系統(tǒng)用電浪涌保護(hù)器 技術(shù)測試方法:YD/T 1235.2—2002[S].

[4] 李天密,魯強(qiáng).風(fēng)力發(fā)電機(jī)組綜合防雷[J].風(fēng)能,2014(11):118-123.

Analysis on Failure Mode of Low Voltage AC Surge Protective Device Containing Varistor

LI Tianmi, BAO Shugeng, HUANG Guijun, REN Yi, ZHAO Qiang, YANG Guohua

(Zhongguang Lightning Protection Technologies Co., Ltd., Chengdu 611730, China)

This paper analyzed the failure causes of surge protective device(SPD),including SPD failure mode which was related to tovaristor failure mode,unreasonable SPD selection, improper design and manufacture,and different application environments. The corresponding verification measures and solution were proposed,which improve the reliability of low voltage AC SPD containing varistor. It can better offer the reliable protection for power supply system and device.

surge protective device(SPD); failure mode; structural destruction failure; reliability

李天密(1979—),男,高級工程師,從事SPD產(chǎn)品研發(fā)及雷電防護(hù)解決方案的研發(fā)工作。

TU 856

B

1674-8417(2016)11-0013-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.11.004

2016-10-12

鮑舒耕(1985—),男,從事SPD產(chǎn)品研發(fā)工作。

黃貴君(1986—),女,工程師,從事SPD產(chǎn)品研發(fā)工作。