趙 學(xué) 軍

(上海電科臻和智能科技有限公司, 上海 201401)

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,電涌保護(hù)器(SPD)已大量使用在各行各業(yè),在防雷保護(hù)中具有重要的意義。然而SPD的狀態(tài)好壞直接影響到防雷效果,如果配置不當(dāng),將給所保護(hù)的設(shè)備帶來(lái)安全隱患。SPD故障的主因有大的雷擊電流和小的工頻電流,而現(xiàn)有的SPD后備保護(hù)裝置無(wú)法很好地兼顧這兩種保護(hù)功能,對(duì)SPD的過(guò)流故障保護(hù)存在嚴(yán)重的盲區(qū)。因此亟待需要一種能夠兼顧斷路器功能和工頻續(xù)流保護(hù)功能的方案。

1 壓敏型SPD失效分析

1.1 壓敏型SPD的工作特性

SPD并聯(lián)在電路上使用,其一端連接至電源線上,另一端連接至大地,以泄放電涌電流。其主要有兩種狀態(tài)。

(1) 正常高阻狀態(tài)。SPD在常規(guī)或在額定電壓下呈現(xiàn)高阻狀態(tài),其阻值為兆歐級(jí),在線路中相當(dāng)于開路狀態(tài)。

(2) 低阻泄放狀態(tài)。當(dāng)電涌或雷擊瞬態(tài)過(guò)電壓發(fā)生時(shí)SPD呈低阻狀態(tài),起泄放電涌電流和限制瞬態(tài)過(guò)電壓的作用。當(dāng)電涌過(guò)電壓或雷擊電涌過(guò)后,SPD立即會(huì)恢復(fù)至正常高阻狀態(tài)。

1.2 壓敏型SPD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

SPD主要以氧化鋅為原料的應(yīng)用最為廣泛。國(guó)內(nèi)外的防雷企業(yè)、專家、學(xué)者等經(jīng)過(guò)多年對(duì)SPD的劣化研究發(fā)現(xiàn):在SPD經(jīng)多次電涌沖擊后,內(nèi)部元件會(huì)逐漸老化。并通過(guò)試驗(yàn)?zāi)MSPD劣化的過(guò)程,試驗(yàn)過(guò)程中氧化鋅壓敏電阻(MOV)內(nèi)部晶粒有裂變?nèi)诤?壓敏的電氣性能持續(xù)下降。

1.3 潛在失效的原因分析

SPD是一種保護(hù)性元件,產(chǎn)品在電網(wǎng)中將是長(zhǎng)期帶電狀態(tài),因此承受各種過(guò)電壓、過(guò)電流的侵襲而導(dǎo)致產(chǎn)品失效,其中突出的有小工頻電流和大雷擊電流的侵襲。

1.3.1 工頻小電流導(dǎo)致的失效

SPD是電壓敏感元件,當(dāng)電壓超過(guò)一定閾值時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定電流。而電網(wǎng)是復(fù)雜的綜合網(wǎng)絡(luò),能產(chǎn)生多種過(guò)電壓現(xiàn)象。例如斷路器、開關(guān)等頻繁斷開或閉合時(shí)的操作過(guò)電壓;電磁閥、保護(hù)開關(guān)、變頻器、軟啟動(dòng)器等頻繁啟動(dòng)產(chǎn)生過(guò)電壓;電路中存在電感、電容等器件的耦合作用而產(chǎn)生的過(guò)電壓等;這些過(guò)電壓綜合作用將可能導(dǎo)致SPD失效。

1.3.2 雷擊電流導(dǎo)致的失效

當(dāng)有雷電發(fā)生時(shí),若在SPD承受范圍內(nèi)的雷電流,電涌能被SPD安全泄放,而不會(huì)損壞;但是若雷電頻繁或雷擊能量特別大時(shí),SPD無(wú)法承受在電涌泄放過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱,容易出現(xiàn)產(chǎn)品脫扣或損壞,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致爆炸。

1.4 模擬失效后果

MOV電氣參數(shù)劣化首先表現(xiàn)是電壓值降低;當(dāng)電壓值低于電源電壓時(shí),剩余電流急劇增大,溫升加劇。如異常電流大于5 A數(shù)秒以上時(shí),會(huì)引發(fā)雪崩式短路,瞬間產(chǎn)生的熱量聚集過(guò)程快于散熱傳遞速度,達(dá)到壓敏電阻熱崩潰點(diǎn),造成熔潰故障,甚至引發(fā)燃爆火災(zāi)事故。實(shí)驗(yàn)室重現(xiàn)燃爆試驗(yàn)照片如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室重現(xiàn)燃爆試驗(yàn)照片

2 國(guó)家防雷設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求

IEC 61643-12:2002、IEC 60034-5-534:2020以及GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》等防雷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中推薦應(yīng)用過(guò)電流保護(hù)器(如熔斷器和斷路器)與SPD串聯(lián)使用,作為SPD發(fā)生劣化短路失效時(shí)的后備過(guò)電流保護(hù)裝置[1-2]。

幾種SPD的后備保護(hù)方法如圖2所示。

圖2 幾種SPD的后備保護(hù)方法

2.1 熔斷器式的后備保護(hù)裝置

熔斷器的配置是按防雷器在8/20 μs波形下最大單次沖擊計(jì)算配置額定值,以實(shí)現(xiàn)對(duì)SPD的短路失效進(jìn)行保護(hù)。在標(biāo)準(zhǔn)IEC 61643-12:2002,表P.1給出了熔斷器耐受沖擊能力的一些規(guī)格、尺寸的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。基于簡(jiǎn)化公式的峰值電流典型值和實(shí)際測(cè)試值對(duì)比如表1所示。

表1 基于簡(jiǎn)化公式的峰值電流典型值和實(shí)際測(cè)試值對(duì)比

熔斷器過(guò)流保護(hù)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,附加殘壓相對(duì)于MCB較低,分?jǐn)嗄芰^高。但常規(guī)熔斷器后備保護(hù)有SPD過(guò)流保護(hù)盲區(qū),尤其是在電路存在工頻小電流時(shí)無(wú)法及時(shí)斷開電路,而且體積較大,不易實(shí)現(xiàn)故障遙信功能。

2.2 斷路器式的后備保護(hù)裝置

斷路器過(guò)流保護(hù)運(yùn)用電磁脫扣和滅弧裝置,其電涌耐受能力相對(duì)較高。小型斷路器耐受沖擊電流如表2所示。

表2 小型斷路器耐受沖擊電流

MCB、MCCB均包含電磁脫扣器件,在雷電流通過(guò)時(shí)殘壓較高,降低SPD的電壓保護(hù)水平。同樣MCB的配置方式按SPD最大通流量來(lái)設(shè)計(jì),以防止雷擊時(shí)誤脫扣。以上應(yīng)用仍無(wú)法兼顧大的雷電電流和MOV劣化時(shí)的工頻故障小電流[3-4]。

另外,MCB分?jǐn)嗄芰σ泊嬖谝欢ň窒扌?即使MCB分?jǐn)嗄芰δ苓_(dá)到15 kA,但對(duì)于T1、T2級(jí)SPD安裝位置的預(yù)期短路電流,仍有無(wú)法安全分?jǐn)嗟娘L(fēng)險(xiǎn)。

因此,常規(guī)的MCB、熔斷器的后備保護(hù)裝置存在一定保護(hù)盲區(qū)。

3 新型后備保護(hù)器的研究與分析

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定雷擊電流是波前時(shí)間為8 μs、半峰值時(shí)間為20 μs的沖擊電流,得到雷擊電流近似頻率為50 kHz。而工頻電流頻率為50 Hz,對(duì)應(yīng)時(shí)間周期為20 μs。兩者之間頻率相差1 000倍。

利用雷電流與工頻續(xù)流的幅頻特性不同,設(shè)計(jì)了兩個(gè)通路,使有差異的兩種電流通過(guò)不同通路。根據(jù)其在電路傳輸產(chǎn)生的感抗為

XL=2πfL

其感抗也相差1 000倍。而且感抗不僅與頻率成正比,同時(shí)也與電感的感值成正比[5-6]。

3.1 小電流通道設(shè)計(jì)方案

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定,當(dāng)壓敏電阻的工頻電流大于5 A數(shù)秒以上時(shí),在幾秒內(nèi)可能引起壓敏電阻燃爆。因此可以在小電流通道上設(shè)計(jì)熱雙金屬片裝置。熱雙金屬片是由兩個(gè)(或多個(gè))具有不同熱膨脹系數(shù)的金屬或合金組元層復(fù)合在一起的材料。當(dāng)電流通過(guò)此裝置時(shí),熱雙金屬片彎曲,當(dāng)達(dá)到一定行程時(shí)使之切斷電源,以達(dá)到脫離電網(wǎng)的目的。熱雙金屬片動(dòng)作示意圖如圖3所示。

圖3 熱雙金屬片動(dòng)作示意圖

具體設(shè)計(jì)方法是在電源的輸入端子依次連接動(dòng)觸頭、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、地短路整定值過(guò)電流線圈、熱雙金屬片、電感矢量模塊、輸出端子。設(shè)計(jì)電流為3 A,時(shí)間≤7 s。測(cè)試的工頻電流特性如圖4所示。

圖4 測(cè)試的工頻電流特性

3.2 雷擊電流設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)的目標(biāo)為當(dāng)電涌雷擊最大的電流Imax通過(guò)SPD與之配合的專用后備保護(hù)裝置時(shí),專用后備保護(hù)裝置不應(yīng)誤脫扣,使電氣設(shè)備防雷始終處于有效狀態(tài)。

具體設(shè)計(jì)方法是在電源的輸入端子依次連接放電型開關(guān)管、輸出端子。設(shè)計(jì)指標(biāo)可根據(jù)不同的雷擊電流可分為TypeⅡ類型的20 kA、40 kA、60 kA、80 kA、100 kA、120 kA,以及TypeⅠ類型的25 kA等規(guī)格型號(hào),可以與不同規(guī)格的SPD相匹配。雷擊電流通道實(shí)施示意如圖5所示。8/20 μs波形的20 kA、80 kA雷擊波形如圖6所示。

圖5 雷擊電流通道實(shí)施示意

圖6 8/20 μs波形的20 kA、80 kA雷擊波形

3.3 預(yù)期短路分?jǐn)嗄芰υO(shè)計(jì)方案

SPD的應(yīng)用場(chǎng)合包括LPZ0、LPZ1、LPZ2等區(qū)域,與之對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)位置也有相應(yīng)的預(yù)期短路分?jǐn)嚯娏?。SPD專用后備保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足與之對(duì)應(yīng)的預(yù)期短路分?jǐn)嗄芰?。初步設(shè)計(jì)預(yù)期短路分?jǐn)嗄芰?00 kA。

具體的設(shè)計(jì)方法是利用小型斷路器的電磁脫扣器原理,當(dāng)電流通過(guò)繞成環(huán)形的線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁力,用以驅(qū)動(dòng)斷開電路。小型斷路器電磁脫扣原理如圖7所示。在小型斷路器短路分?jǐn)嘣囼?yàn)時(shí),電流使環(huán)形線圈產(chǎn)生磁場(chǎng),動(dòng)鐵芯、靜鐵芯在磁場(chǎng)力作用下快速吸合,脫扣桿在動(dòng)鐵芯的帶動(dòng)下撞擊動(dòng)觸頭機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)失去穩(wěn)定狀態(tài),最終使動(dòng)、靜觸頭分開。

圖7 小型斷路器電磁脫扣原理

3.4 工頻小電流、雷擊大電流的有機(jī)整合

利用雷擊大電流(8/20 μs)與工頻小電流的幅頻特性不同(20 ms),設(shè)計(jì)了3層外殼結(jié)構(gòu),形成兩條通路。用第一層與第二層相互配合,實(shí)現(xiàn)工頻小電流通道,讓工頻小電流經(jīng)過(guò)小電流通路,用以鑒別、判斷、分?jǐn)嚯娐返裙δ?用第二層與第三層互相配合,實(shí)現(xiàn)雷擊大電流通道,讓雷電流經(jīng)過(guò)此通路,用以滿足不同等級(jí)的雷電流泄放能力的要求。此通路在正常狀態(tài)下是開路狀態(tài),當(dāng)出現(xiàn)雷擊時(shí),通過(guò)引導(dǎo)電路讓此通路導(dǎo)通,從而泄放掉雷電流。SPD專用后備保護(hù)裝置示意如圖8所示。

圖8 SPD專用后備保護(hù)裝置示意

SPD專用后備保護(hù)裝置串聯(lián)在SPD回路上,與其配合接入電網(wǎng)使用,作為SPD過(guò)電流的專用保護(hù)裝置。其設(shè)定的工頻小電流技術(shù)指標(biāo)為3 A,雷擊大電流根據(jù)不同等級(jí)選擇不同的配置。

4 結(jié) 語(yǔ)

SPD常規(guī)后備保護(hù)裝置無(wú)法兼顧大的雷擊電流和小的工頻電流,當(dāng)電源系統(tǒng)故障、SPD過(guò)流短路、工頻電流通過(guò)時(shí),其電流值有可能達(dá)不到過(guò)流保護(hù)裝置的啟動(dòng)值,過(guò)流保護(hù)裝置不動(dòng)作,導(dǎo)致工頻電流持續(xù)通過(guò),防雷元件發(fā)熱,SPD起火。若過(guò)流保護(hù)裝置的啟動(dòng)值較小,雖能啟動(dòng),但難以抗擊雷電流的沖擊,導(dǎo)致SPD無(wú)法正常泄放雷電流。采用鑒流技術(shù),將兩種電流區(qū)別對(duì)待,將其引導(dǎo)至不同的通道,針對(duì)性地分別處理。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,該方法能夠?qū)崿F(xiàn)有效鑒別、判斷、分?jǐn)嗟裙δ堋４送?兩種通路有機(jī)整合,應(yīng)用到產(chǎn)品中。