SPD的安全性對(duì)MOV的性能要求及相關(guān)檢驗(yàn)方法探討

次仁卓嘎 登增然登 登增扎西

(西藏日喀則地區(qū)拉孜縣氣象局,西藏拉孜 857000)

SPD的安全性對(duì)MOV的性能要求及相關(guān)檢驗(yàn)方法探討

次仁卓嘎 登增然登 登增扎西

(西藏日喀則地區(qū)拉孜縣氣象局,西藏拉孜 857000)

隨著GB18802.1-2002、GB50057等標(biāo)準(zhǔn)的普及,人們對(duì)SPD安全性的重視度越來越高。本文通過對(duì)限壓型SPD的常見故障原因進(jìn)行分析,尤其是對(duì)低壓配電系統(tǒng)中SPD在單相接地故障等幾種故障情況下時(shí)的破壞原理進(jìn)行分析。通過上述分析后,從安全檢測角度分析了在試驗(yàn)時(shí)做好安全檢測的方法。

SPD 故障原因 安全檢測方法

1 引言

隨著GB18802.1-2002、GB50057、YD/T1235、GA173等系列標(biāo)準(zhǔn)的頒布及實(shí)施推廣，各地防雷法規(guī)的日益健全完善，電涌保護(hù)器(SPD)的應(yīng)用越來越普及。然而同時(shí)因SPD著火引發(fā)火災(zāi)的事例時(shí)有所聞，由于SPD常用于較重要的場合或設(shè)備的防雷安全保護(hù)，事故所造成的損失巨大，不少的生產(chǎn)廠商及用戶均為此付出了昂貴的代價(jià)，在個(gè)別地區(qū)甚至造成用戶拒用或行業(yè)禁用SPD的惡劣后果。在為用戶提供防雷安全保護(hù)的同時(shí)，若不切實(shí)解決好防雷產(chǎn)品自身的安全問題，再低的殘壓、再大的通流、再小的漏流等均毫無意義。以下就應(yīng)用最為普及的限壓型SPD的自身安全及其使用的核心功能元件—MOV的性能要求與相關(guān)檢測方法進(jìn)行分析。

2 限壓型SPD起火原因分析

符合規(guī)范的限壓型SPD大體上由MOV芯片、熱脫離保護(hù)機(jī)構(gòu)、連接銅件、阻燃封裝外殼組成。顯然，SPD起火與MOV芯片緊密相關(guān)，要弄清楚SPD起火原因，就必須了解MOV的工作及失效原理。

2.1 MOV的工作及失效原理

電網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，防雷芯片(MOV)呈高阻態(tài)，不影響電網(wǎng)正常工作;當(dāng)線路中因雷擊或操作引起浪涌過電壓時(shí)，MOV將以納秒級(jí)速度導(dǎo)通響應(yīng)，迅速將過電流對(duì)地瀉放，把浪涌過電壓幅值限制在被保護(hù)設(shè)備允許承受的電平以下，使用電設(shè)備免受其害。浪涌過電壓瀉放后，MOV又恢復(fù)高阻態(tài)正常工作。

若短波浪涌能量太大，超過防雷芯片能承受的極限，容易導(dǎo)致MOV碎裂。若系統(tǒng)中出現(xiàn)持續(xù)性供電故障過電壓，超過防雷芯片能承受的極限，則會(huì)導(dǎo)致MOV持續(xù)發(fā)熱，此時(shí)若仍不能有效切斷電路，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致MOV被熱熔擊穿;而一旦MOV被熱熔擊穿，其電路等同于一個(gè)帶限流電阻的電弧放電回路[1]，極易起弧造成封裝材料燃燒起火等。

還有一種情況：強(qiáng)烈雷電浪涌與正常工頻電壓的聯(lián)合作用。持續(xù)強(qiáng)烈的雷電浪涌能量造成MOV急劇發(fā)熱(或者環(huán)境溫度太高，例如密封于鐵箱內(nèi)在日光下暴曬)，若MOV動(dòng)作電壓為負(fù)溫度特性且溫度系數(shù)大，有可能造成動(dòng)作電壓(U1mA)大幅下降，此時(shí)正常的工頻電壓也相當(dāng)于對(duì)MOV施加了一個(gè)極高的持續(xù)過電壓，造成MOV擊穿引發(fā)火災(zāi)。

2.2 國內(nèi)低壓供電系統(tǒng)易出現(xiàn)的幾種過電壓及其對(duì)MOV的影響

2.2.1 單相接地過電壓[1]

國內(nèi)供電系統(tǒng)最常見。當(dāng)供電系統(tǒng)中的某一相對(duì)地短路時(shí)，其他兩相的對(duì)地電壓(220V)即上升為線電壓(380V)。這將導(dǎo)致Uc選值偏低的共模SPD在較短時(shí)間內(nèi)失效。只要過電壓持續(xù)時(shí)間不長、MOV的質(zhì)量較好且U1mA≥510V，這種過電壓通常均能承受或只造成SPD脫扣動(dòng)作，不會(huì)釀成其他嚴(yán)重后果。

2.2.2 高低壓共地耦合轉(zhuǎn)移過電壓

由于配電變壓器高壓和低壓共用一地，當(dāng)高壓側(cè)發(fā)生通過PE的故障接地時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)幅值很高的過電壓，通過共用地耦合轉(zhuǎn)移到低壓系統(tǒng)，使得低壓供電系統(tǒng)出現(xiàn)幅值很高的轉(zhuǎn)移過電壓，此種過電壓幅值很高且持續(xù)時(shí)間長，易在數(shù)秒內(nèi)在SPD的熱脫離機(jī)構(gòu)尚未及動(dòng)作前就已將MOV熱擊穿失效，易造成起弧、起火等。

2.2.3 失零過電壓

低壓供電系統(tǒng)的中性線由于各種原因斷線后，即產(chǎn)生失零過電壓。此時(shí)相電壓輸出變?yōu)榫€電壓輸出，各相電壓皆由不同的負(fù)載分布決定。此種情況下的過電壓有時(shí)達(dá)700V或更高，如此即使將SPD的最大允許工作電壓Uc選為420V(U1mA=680V±)，采用差模連接SPD中的MOV也將在數(shù)秒內(nèi)被直接擊穿，熱脫離機(jī)構(gòu)來不及動(dòng)作，易造成起弧、起火等。

表1 高溫穩(wěn)定性檢驗(yàn)表

表2 暫時(shí)過電壓耐受特性檢驗(yàn)表

3 對(duì)MOV的性能要求及相關(guān)檢測方法

3.1 對(duì)MOV的性能要求

顯然，作為瞬態(tài)浪涌過電壓保護(hù)器，我們必須要重視SPD的保護(hù)效果，選用殘壓低、通流量大的MOV芯片;但是同時(shí)我們更要注意SPD產(chǎn)品自身的安全性，防止在無雷擊情況下出現(xiàn)SPD的起火自燃及由此而引發(fā)火災(zāi)，否則無法對(duì)用戶交待，對(duì)行業(yè)的發(fā)展必然產(chǎn)生負(fù)面影響。作為SPD的核心功能元件，對(duì)MOV如下四個(gè)方面都進(jìn)行考核是必要的：

(1)8/20μS通流能力及殘壓：包含標(biāo)稱放電電流和最大放電電流考核。對(duì)SPD中常用的34S型MOV，只要達(dá)到20kA×20次+40kA×2次、U20kA/U1mA≈2.5就可以了，不宜在單項(xiàng)指標(biāo)上過多追求。(2)高溫穩(wěn)定性：包含動(dòng)作電壓U1mA在一定范圍內(nèi)的溫度特性及其系數(shù)、泄漏電流的高溫穩(wěn)定性。(3)暫時(shí)過電壓的耐受特性：此項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況，考核在暫時(shí)過電壓下MOV發(fā)熱熔脫焊點(diǎn)以切斷電路的能力。

3.2 高溫穩(wěn)定性檢測方法探討

高溫穩(wěn)定性主要考核芯片在較高溫度下的動(dòng)作電壓及泄漏電流穩(wěn)定性。MOV的老化失效與其負(fù)載荷電率緊密相關(guān)，荷電率的計(jì)

以如下三個(gè)指標(biāo)來考核高溫穩(wěn)定性：

一般而言，正溫度系數(shù)MOV的高溫穩(wěn)定性更好(如表1）。

必須指出，在承受8/20μs沖擊后的高溫穩(wěn)定性更加重要。

3.3 暫時(shí)過電壓耐受特性的檢測方法探討

暫時(shí)過電壓是由于供電故障而引起的持續(xù)性過電壓，作為瞬態(tài)浪涌過電壓保護(hù)器件的SPD對(duì)此是無能為力的。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)暫時(shí)過電壓時(shí)對(duì)SPD的要求要么是不動(dòng)作，能夠承受(幅值較小時(shí));要么是迅速脫離，切斷流經(jīng)SPD的電路(幅值較高時(shí))，不得起火燃燒。考慮到各SPD生產(chǎn)廠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差異大、技術(shù)水平良莠不齊，我們認(rèn)為采用如下方法對(duì)MOV在暫時(shí)過電壓下的脫離能力進(jìn)行考核較為合適：將兩引出電極片用63A焊錫(183℃)與芯片銀面焊接好后連接導(dǎo)線，導(dǎo)線與芯片間施加200g外張力，施加1.1倍U1mA的交流電壓(有效值)，錫焊接處熔化、導(dǎo)線或電極片與芯片脫離接觸切斷電路。以芯片不出現(xiàn)擊穿或其它目視可見的機(jī)械損傷為合格。過程中應(yīng)在芯片下方墊軟物以防止脫落時(shí)摔破損（如表2）。

同樣，考核承受8/20μS沖擊后的暫時(shí)過電壓耐受能力更加重要。

4 結(jié)語

作為瞬態(tài)浪涌過電壓保護(hù)器件，SPD不僅要重視其保護(hù)效果(要求較低的殘壓、較大的通流)，更要重視其自身的安全性能。在保護(hù)效果相差不大的情況下，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇安全性能好的產(chǎn)品。對(duì)MOV的性能要求要綜合考慮保護(hù)效果、安全性能、壽命特性等，不能犧牲其它方面來過多追求某一方面。

[1]郭亞平等.氧化鋅壓敏電阻用于低壓供電系統(tǒng)的起火原因及解決對(duì)策[C].第十一屆壓敏學(xué)術(shù)年會(huì)暨海峽兩岸首次技術(shù)研討會(huì)?？?P25.