石劍

摘 要：針對SPD及其沖擊電流測試設備結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)合低壓配電SPD的測試方法進行了大量試驗，分析測試中存在的3個問題：指出用10/350 ?s波形觸發(fā)續(xù)流會引起球隙開關拉弧使沖擊設備和電源形成低阻抗回路，從而對設備和電源帶來損害，并導致不能正確判斷續(xù)流值大??；探討了壓敏電阻漏流的測量方法，通過最大持續(xù)運行電壓測試法，能更好地區(qū)別和選用產(chǎn)品；利用電路理論分析了電容器剩余電荷對試驗殘壓測量的影響。該文探討了SPD測試中困擾大家的一些問題，對以后的測試工作具有一定的指導意義。

關鍵詞：SPD測試 續(xù)流試驗 沖擊電流發(fā)生器 壓敏漏流 剩余電荷

中圖分類號：TM774 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（c）-0036-05

電涌保護器（Surge Protective Device）在當今的過電壓保護中扮演著不可或缺的角色。由于電涌保護器雷電流通過能力、限制過電壓的能力以及多級電涌保護器之間的配合等對是否能有效地進行雷電保護起著決定性的作用，且SPD自身會產(chǎn)生串擾、回波阻抗、信號衰減等，如果其自身參數(shù)與網(wǎng)絡參數(shù)差異很大，則在數(shù)據(jù)的傳輸過程中，會出現(xiàn)信號衰減值及串擾值增大，阻抗的連續(xù)性被破壞，從而影響網(wǎng)絡的正常傳輸。這就需要對SPD產(chǎn)品的主要性能指標進行測試分析，性能指標不合格的電涌保護器非但不能起到保護作用，反而對保護設備產(chǎn)生危害[1-6]。因此，測試原理及方法的研究對SPD的發(fā)展及應用起著至關重要的作用。

結(jié)合某集團CNAS試驗室的現(xiàn)有設備分析了沖擊電流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，并對SPD的結(jié)構(gòu)參數(shù)和測試方法做了闡述。由于國內(nèi)近些年才建立了專門的防雷裝置檢測機構(gòu)來進行過電壓保護產(chǎn)品性能參數(shù)的測試，其測試原理及方法大多使用國外現(xiàn)有的標準，因此存在較多疑問。主要有3個方面：（1）2007年的IEC工作會議上，有多人提出為什么用于Ⅰ級試驗的SPD不用10/350 ?s波形進行預處理實驗來觸發(fā)續(xù)流，卻使用8/20 ?s波形。通過試驗說明用10/350 ?s觸發(fā)續(xù)流會存在開關拉弧形成近似短路回路問題，也是對標準[7-8]中相關規(guī)定的間接有力支持；（2）國標中規(guī)定用0.75U1mA測量MOV漏流，通過觀察發(fā)現(xiàn)多數(shù)MOV在漏流測試中的漏流值差別不大，這樣便不能更好地區(qū)別MOV的好壞以及合理選用，通過大量試驗驗證了使用最大持續(xù)運行電壓來測試漏流相對更加合理；（3）在殘壓測試時，會發(fā)現(xiàn)流過SPD的電流為零，切斷了放電回路后，其上的殘壓還會維持很長時間才到零，這個浪涌波過后的電壓從何而來？通過試驗并結(jié)合電路理論分析了電容器殘余電荷對殘壓波形的影響。

針對上述問題，文中利用某集團CNAS試驗室ZGLJ-301-3型號8/20 ?s沖擊電流發(fā)生器和ZGLJ-303-3型號的10/350 ?s沖擊電流發(fā)生器進行了大量試驗，用TEK TDS2012B數(shù)字存儲示波器對波形進行了采集，通過比較分析，結(jié)合電路理論對上述問題做出了詮釋。

1 低壓配電SPD試驗研究

1.1 開關型SPD續(xù)流測試問題分析

觸發(fā)續(xù)流的預處理試驗是針對開關型SPD，而開關型SPD主要用于第一級防護，主要用于泄放大的雷電流能量。一級雷電流波型為10/350 ?s。IEC61643-1：2005中規(guī)定用8/20 ?s沖擊電流觸發(fā)續(xù)流。為什么不是用10/350 ?s？

在對預期短路電流要求較大的情況下用10/350 ?s沖擊時如果SPD損壞或者未能正確導通，電流會直接沖擊到變壓器中，對電源變壓器損傷較大，具有很大的危險性。如果采取退耦網(wǎng)絡保護進行試驗，則預期短路電流和功率因素無法滿足要求。

另外，用10/350 ?s波形進行觸發(fā)時當供電電壓較高時，試驗臺的主放電球產(chǎn)生電弧現(xiàn)象，工頻電流會流過試驗臺，測試原理圖見圖1。

試驗設備由2臺30 kA沖擊電流發(fā)生器并聯(lián)組成60 kA沖擊電流發(fā)生器。30 kA沖擊電流發(fā)生器采用1組由6個160 μF電容組成的電容器組，共960 μF。由IEC62305附錄C可知：沖擊電流小于30 kA時電容為960 ?F，沖擊電流大于30 kA時電容為1 920 ?F。

開關型器件在低壓配電系統(tǒng)中都是連接在中線和保護線之間，預期短路電流滿足100 A即可。因此選用的隔離變壓器容量15 kVA，最高輸出電壓450 V，所以標稱電流為33 A。經(jīng)多次用短路電流測試儀測試，短路電流為105 A。完全符合確定GDT續(xù)流大小的預處理試驗的要求。

分析圖2和3的波型，由于球隙觸發(fā)放電時開關型SPD沒有動作，而主放電球隙產(chǎn)生電弧通道，由于回路電感較小、電容較大，整個回路阻抗相對較小，電源電壓直接加在試驗臺脈沖電容器兩端，產(chǎn)生回路，電源的預期短路電流將會流過試驗臺，燒蝕球隙開關，給設備及操作人員帶來很大的安全隱患。而熔斷器由于電流較小卻沒有動作熔斷，因此產(chǎn)生以上現(xiàn)象。

另外，現(xiàn)在很多產(chǎn)品有較好的切斷續(xù)流能力，而放電球隙的滅弧能力則相對較弱。因此，即使開關型器件順利動作導通而如果球隙不能及時斷開回路并且熔斷器不能及時熔斷的話也會產(chǎn)生電源電流經(jīng)上述低阻抗回路流經(jīng)試驗臺的現(xiàn)象。

1.2 壓敏電阻漏流的測試方法分析

一般采用0.75U1mA電壓測量其漏電流[9-10]?？墒?，在實際的測試過程中，較少有泄漏電流不合格的產(chǎn)品，各廠產(chǎn)品的漏流也沒有很大的差別?？梢姶朔ú⒉荒軡M足區(qū)別MOV參數(shù)性能好壞的要求。而使用Uc值，更符合實際，612 V的漏電流為86 ?A，748 V的漏電流為0.22 ?A，這對工程上選用和安裝都有更實際的意義?，F(xiàn)在生產(chǎn)商都盲目追求低殘壓，將U1mA值降到極限，如果還是按0.75U1mA測試，達不到篩選優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的目的。因此提出使用最大持續(xù)運行電壓Uc來測試MOV的漏流值大小。這樣也能更好地反應MOV在實際運行環(huán)境中的預期漏流的大小。

一個Uc=385 V的SPD，實測出U1mA=585 V，處于10%合格范圍。0.75U1mA是按照585V為基準計算0.75，測試的漏電流較?。欢肬c=385 V，轉(zhuǎn)換Udc=505 V，那這樣測出的漏電流會大一些，無論U1mA選的上限還是下限，只要用于這個Uc下，就應該這樣測試。

圖4是某集團CNAS試驗室用0.75U1mA和最大持續(xù)運行電壓進行90次測試的漏流值對比。壓敏電阻最大持續(xù)運行電壓420 V，參考電壓680 V，標稱電流20 kA，每進行一次8/20 ?s沖擊后便用兩種不同測試方法測量一次漏流值并且記錄?？梢?，起初的數(shù)10次沖擊后的兩種方法測量的漏流值大小差異性不大，當試驗進行到60次沖擊的時候，漏流值開始出現(xiàn)較明顯的變化。其實在進行數(shù)10次沖擊后，壓敏電阻的非線性特性已經(jīng)發(fā)生了很大改變，參考電壓值下降。使用0.75U1mA測試使用的是實測參考電壓，從圖4中可見整個過程中漏流測試結(jié)果變化不明顯，在很長的一段區(qū)間甚至難以發(fā)現(xiàn)漏流值的改變。這樣單從這個參數(shù)便不能夠有效地區(qū)別出壓敏電阻性能的優(yōu)劣，給實際應用增加了困難和風險。而用最大持續(xù)運行電壓來測量漏流使用的是固定的UC值換算成等效直流電壓Udc（系數(shù)1.3），可以很明顯地看出壓敏性能的變化：泄漏電流值顯著增大，這對區(qū)別和正確選用壓敏電阻具有重要的意義。

1.3 電容器剩余電荷對試驗殘壓的影響

在探討脈沖電容器剩余電荷對試驗的影響之前，先對8/20 μs浪涌發(fā)生器放電回路的通斷時間進行一些分析。脈沖電容器升到一定高壓后，控制系統(tǒng)切斷充電回路，用氣缸牽引電極進行點火，閉合放電回路。放電回路中的調(diào)波電阻和電感作用形成標準波形。雖然氣缸動作的通斷時間可以通過程序來設定，但最小也是毫秒級。如果脈沖電容器殘余有電荷，那么此電荷將作用于試品，形成電壓，對殘壓的測量造成影響，使電流過零后視頻兩端仍然存在殘壓，對波形的測量帶來不利影響。

為了驗證上述觀點，使用U1mA=82 V壓敏，在8/20 ?s波形下測試殘壓。表1是不同電流下脈沖電容器殘余的電壓。從表1中可以看出，在小電流時，殘余正電荷；大電流時，殘余負電荷。

圖5分別是+0.2 kA，+4 kA下的波形圖。從圖5中可以看出在流過壓敏的沖擊電流為零后，壓敏兩端的電壓并不降為零，這個電壓值等于脈沖電容器的殘余電壓值。殘余電壓維持的時間等于沖擊回路開關切斷的時間。

試驗電路如圖6。C為脈沖電容器電容；L為調(diào)波電感；Ro為調(diào)波電阻；Rs為放電器間的電弧電阻。由于Ro、Rs和壓敏動態(tài)電阻r可以等效為一個電阻，那么圖可以簡化為圖7。這是一個零輸入RLC串聯(lián)電路。關系式如式（1）。

根據(jù)電路理論[11]，回路響應將取決于電路的固有頻率。如果，響應是非振蕩過程，如果回路，響應是衰減振蕩過程。

正0.2 kA沖擊下，SPD的動態(tài)電阻較大，系統(tǒng)總電阻較大，，系統(tǒng)為過阻尼狀態(tài)，電流不會過零形成負峰。當系統(tǒng)電壓在小于壓敏啟動電壓時，壓敏恢復到高阻，切斷放電電路，脈沖電容器未泄放的電荷只能殘余在電容器上，脈沖電容器就殘余了正的電壓。由于點火裝置切斷的時間遠遠小于壓敏切斷的時間，回路仍然是閉合的，那么壓敏兩端仍然存在脈沖電容器殘余的電壓。波形上可以看到正常殘壓到脈沖電容器電壓有一個跌落過程。

正4kA沖擊下，SPD的動態(tài)電阻較小，系統(tǒng)總電阻較小，，系統(tǒng)為欠阻尼狀態(tài)，電流會過零形成負峰。同樣，當在負峰階段，系統(tǒng)電壓在小于壓敏啟動電壓時，壓敏恢復到高阻，切斷放電電路，脈沖電容器未泄放的電荷只能殘余在電容器上，脈沖電容器就殘余了負的電壓。由于點火裝置切斷的時間遠遠小于壓敏切斷的時間，回路仍然是閉合的，那么壓敏兩端仍然存在脈沖電容器殘余的電壓。波形上也有一個跌落過程。如果被保護設備接到壓敏兩端，那么這個毫秒時間的過電壓將有可能造成被保護設備的損壞。

2 結(jié)論

（1）用10/350 μs波形沖擊觸發(fā)續(xù)流可能會引起放電球隙產(chǎn)生電弧，使電源與沖擊電流發(fā)生器形成閉合低阻抗回路，會對電源和設備產(chǎn)生很大的危險隱患。這也更好地解釋了IEC、GB等標準中規(guī)定用8/20 ?s觸發(fā)續(xù)流的原因。

（2）使用0.75U1mA來測試壓敏漏流在一定程度上并不能很好地區(qū)別產(chǎn)品的性能參數(shù)，驗證了使用最大持續(xù)運行電壓測試壓敏漏流相對來說可以更好地區(qū)別產(chǎn)品性能并在工程應用方面具有更實際的意義。

（3）由于沖擊后球隙開關不能迅速切斷回路，使電容器上殘余電荷形成的電壓加在試品上導致電流過零后還存在殘壓，其值等于電容器殘余電荷形成的電壓，持續(xù)時間為球隙開關關斷所用時間。

參考文獻

[1] Peter Hasse.Overvoltage protection of low voltage systems[M].2nd Edition， The Institution of electrical engineers，London，United Kingdom， 2000.

[2] 虞昊，臧庚媛，張勛文，等.現(xiàn)代防雷技術基礎[M].北京：清華大學出版社，1995.

[3] G.H.Golde.Lightning[M].Academic Press，New York，1977.

[4] 周志敏，周紀海，紀愛華.電子信息系統(tǒng)防雷接地技術[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[5] 盧燕.電涌保護器的性能與試驗方法研究[D].南京：南京信息工程大學，2008.

[6] 卞華永，低壓交流電源線路的雷電電涌防護研究[D].北京：北京交通大學，2008.

[7] IEC61643-1.Low-voltage surge protective devices-Part1： Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems-Requirements and tests[S].2005.

[8] GB18802.1-2002，低壓配電系統(tǒng)的電涌保護器（SPD）—— 第一部分：性能要求和試驗方法[S].2002.

[9] 葉蜚譽.電涌保護技術講座第二講—— 電涌保護器的原理[J].低壓電器，2004（3）：54-56.

[10] 楊仲江.防雷裝置檢測審核與驗收[M].北京：氣象出版社，2009.

[11] 邱關源.電路[M].4版.北京：高等教育出版社，1999.