限壓型電涌保護器的性能分析及對策

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. 富陽市氣象局，浙江 富陽 311400)

摘要低壓供電系統(tǒng)中暫態(tài)過電壓將對電涌保護器的運行產(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、造成終端設備損壞的最主要原因，針對電涌保護器(SPD)自身存在的防雷安全問題，介紹了限壓型電涌保護器的工作原理，結合限壓型電涌保護器中氧化鋅壓敏電阻的特點，介紹熔斷器的分類和參數(shù)選擇要求，提出了限壓型SPD在使用過程中與熔斷器的匹配方法，為合理選擇熔斷器提供借鑒。

關鍵詞電涌保護器 氧化鋅壓敏電阻 暫態(tài)過電壓 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

作者簡介

0引言

安裝在供電系統(tǒng)的電涌保護器(SPD)是保護電氣、電子設備的重要防雷設備，因其結構簡單、維護方便，且具有通流容量大、響應速度快、無工頻續(xù)流、能任意組合等優(yōu)良特點，得到廣泛應用。但電涌保護器(SPD)自身存在防雷安全問題，甚至還會出現(xiàn)SPD起火自燃，嚴重危害設備的安全。因此電涌保護器(SPD)在為電氣設備提供雷電防護的同時，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行分析研究提出使用對策。

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器(SPD)，當電網(wǎng)系統(tǒng)正常運行時，氧化鋅壓敏電阻呈高阻狀態(tài)，電網(wǎng)工作正常；而當線路受雷擊或電源波動引起浪涌過電壓，其浪涌電壓幅值達到SPD啟動電壓時，氧化鋅壓敏電阻呈低阻狀態(tài)而導通，對地迅速泄放過電流，限制浪涌過電壓幅值在被保護設備允許承受的電平以下，保護電氣、電子設備的使用安全，浪涌過電壓泄放后，氧化鋅壓敏電阻呈現(xiàn)高阻態(tài)，電路恢復正常工作[1，2]。

2低壓供電系統(tǒng)中暫態(tài)過電壓(TOV)產(chǎn)生的原因及對電涌保護器(SPD)的影響

低壓供電系統(tǒng)中的暫態(tài)過電壓(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，有時可能是正常工作電壓的幾倍，持續(xù)時間要超出瞬態(tài)過電壓的微秒級，在數(shù)百毫秒級至數(shù)秒級之間，甚至更長，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單相接地過電壓

在低壓供電系統(tǒng)一相對地短路，造成其他兩相對地電壓升高為線電壓( 380V)。此時單相接地持續(xù)時間不長，氧化鋅壓敏電阻的質(zhì)量較好且參考電壓U1mA≥510V時，可能不會釀成其他嚴重后果，只造成SPD脫扣動作。否則，就會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)移過電壓

由于配電變壓器的高低壓共用接地系統(tǒng)，當高壓側發(fā)生故障接地時，會出現(xiàn)一個幅值很高的持續(xù)高電壓,因SPD的熱脫離機構來不及工作，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)生失零過電壓。此時輸出的相電壓變成線電壓，其電壓值可以高達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)、熱脫離保護機構、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，任何時候都要承受電源電壓的嚴重考驗。其一是低壓供電系統(tǒng)中的暫態(tài)過電壓(TOV)，其二是雷擊過電壓與正常工頻電壓的疊加作用，此時正常的工頻電壓相當于對氧化鋅壓敏電阻施加了一個極高的持續(xù)過電壓，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、損壞設備、引發(fā)火災[4]。

雖然SPD自身帶有熱脫離保護裝置，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。這說明大部份SPD模塊損壞的主要原因是：脫扣機構未能有效地及時脫開，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，需要溫度升高達到或超過焊錫的熔點才能將焊錫熔化，脫扣器動作要有一個溫度升高和加熱熔化的時間過程。因此，熱脫離保護裝置是不能解決電涌保護器自身的安全問題的。國家標準《低壓配電系統(tǒng)的電涌保護器(SPD)第1 部分：性能要求和試驗方法》(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，不能消除電涌保護器自身的安全問題。

4限壓型SPD電氣性能差造成終端設備損壞

限壓型SPD中由于各種氧化物機械摻雜的不均勻和高溫燒結時出現(xiàn)的不完全反應，都會造成限壓型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態(tài)電阻的不匹配。安裝在電源線路中的限壓型SPD，當線路中因雷擊或電源波動引起的浪涌過電壓達到SPD啟動電壓時，限壓型SPD中氧化鋅壓敏電阻某一芯片首先導通,迅速將過電流對地泄放,被限制在某一低電位，而其余的氧化鋅壓敏電阻芯片未導通，把浪涌過電壓傳播到設備端，使設備承受比雷擊或電源波動引起的浪涌過電壓更高的浪涌過電壓，造成終端設備的損失。

氧化鋅壓敏電阻通過多片的并聯(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，要求盡可能選擇壓敏電阻芯片的參考電壓、動態(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)差模過電壓對被保護設備的損壞，特別是在檢查維修時發(fā)現(xiàn)，SPD中某一芯片損壞時，應當整體更換SPD，而不應該只更換某一芯片(相同型號)。

5SPD與熔斷器的配合使用

5.1電涌保護器與熔斷器的配合使用

電涌保護器在抑制雷電過電壓的同時，會泄放很大的暫態(tài)電流，對電涌保護器自身的防雷安全是一個嚴重考驗，因此要根據(jù)電路的實際情況將電涌保護器與熔斷器配合使用，對電涌保護器自身防雷安全加以限流保護，避免發(fā)生熱損壞。但熔斷器自身存在的電阻和電感無疑會增加SPD保護回路的殘壓[6]。業(yè)內(nèi)人士通過測試表明：引入熔斷器后將使被保護回路的殘壓增加10%～25%[7]，這是在SPD設計安裝時必須考慮的問題。電涌保護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)熔斷器的選擇應符合兩個要求：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，同時又要求電涌保護器在抑制暫態(tài)過電壓的過程中，吸收的能量超過其額定容量極限或在承受超過其額定電壓時，工頻續(xù)流增大，導致氧化鋅壓敏電阻溫度升高，在可能造成電涌保護器發(fā)生爆炸、短路之前及時切斷電源電路的功能，以對電涌保護器實施保護作用[9]。熔斷器的選擇：必須保證保護回路故障熔斷器2熔斷，熔斷器1完好，主電路仍能正常工作，同時還應從以下幾個方面考慮。

5.2.1熔斷器的分類

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

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。對電流特別敏感的電子或電氣元件應使用快速或特快速熔斷器；而對短時過載或浪涌電流比較大的電氣線路應使用慢速熔斷器。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又具備過載保護的功能。這種經(jīng)特殊處理的熔斷器是與電涌保護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當滿足公式(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)運行電壓；UT(t)為SPD的暫態(tài)過電壓耐受值，其值與時間有關；UTOV(t)為電路中產(chǎn)生的過電壓值，其與時間有關。

熔斷器額定電壓的選擇應符合以下幾點[10]：

1)三相電路熔斷器額定電壓應按額定線電壓選取。

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(故障點分別出現(xiàn)在電源側和負載側、且不同相)，熔斷器額定電壓應按最高線電壓選擇。

5.2.3熔斷器額定電流

熔斷器的動作具有反時限特性，即熔體熔斷所需要的時間是與通過的電流大小成反比，小電流是不會熔斷熔體的；每一熔體都對應一個最小熔化電流，最小熔化電流會受環(huán)境溫度影響有所變化，但在實際使用中不予考慮。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以下不會熔斷，具體應依據(jù)SPD安裝位置以及供電系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障電流來確定。

熔斷器要保證電涌保護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為通過電流的時間；R為導體電阻值。

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)時間，為微秒級；R1為SPD導通時的電阻；I2為熔斷器熔斷電流的取值；T2為熔斷器的熔斷時間，為秒級；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。

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指標，熔斷器的額定熔化熱能越大，說明熔斷器抗擊雷電能力越強，熔斷器熔斷所需要的雷擊電流越大，熔斷器熔斷時間越長[11]。雖然雷電過電流持續(xù)的時間很短，但是雷擊產(chǎn)生的熱能是巨大的，因此選擇熔斷器時應當考慮最大雷擊電流的熱能值。

熔斷器的抗雷擊浪涌能力測試試驗數(shù)據(jù)[8]如表1所示。

表1　熔斷器的抗雷擊浪涌能力測試試驗數(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系。

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

6結束語

在選擇使用電涌保護器時，不僅要重視其保護效果，選用殘壓低、通流量大的氧化鋅壓敏電阻芯片，而且要關注SPD自身的安全問題, 絕對不能有起火燃燒的跡象或SPD部件爆炸彈出的現(xiàn)象。通過對電涌保護器內(nèi)部結構、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配合使用的方法，并對熔斷器進行系統(tǒng)分析，為合理選擇熔斷器提供借鑒。

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余昌松

工程師，防雷中心主任，現(xiàn)就職于淳安縣氣象局，主要研究方向為雷電防護技術。

殷春生

工程師，防雷所長，現(xiàn)就職于富陽市氣象局，主要研究方向為雷電災害風險評估。

王華卿

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

裘文君

助理工程師，現(xiàn)就職于富陽市氣象局，從事雷電防護技術研究。

Discussion on Lightning Protection Design of Pyrotechnics Storage Area

Zheng Haixiang / Liu Deshang / Xing Sudan / Lin Nianping