淺談SPD 模擬失效試驗的預(yù)期失效電流

劉婷

【摘要】本文介紹了電涌保護(hù)器（SPD）的定義、構(gòu)造，并指出了大部分電涌保護(hù)器是由壓敏電阻組成的。進(jìn)而分析了壓敏電阻的工作原理、U-I 特性曲線及短路劣化時存在的風(fēng)險，提出了電涌保護(hù)器需帶有內(nèi)部脫離裝置，并由SPD 模擬失效試驗來驗證脫離裝置的有效性。

【關(guān)鍵詞】模擬失效試驗；電涌保護(hù)器（SPD）；壓敏電阻（MOV）；失效電流；短路電流

一、電涌保護(hù)器（SPD）的概述

SPD 是英文Surge Protective Device 的縮寫，IEC（國際電工委員會）將其定義為“用做限制瞬態(tài)過電壓和泄放沖擊電流的裝置，它至少應(yīng)包含一個非線性元件”。ITU（國際電信聯(lián)盟）將SPD 定義為“用來減少具有有限持續(xù)時間的沖擊過電壓和過電流的裝置，它可以只含有一個器件或者有較復(fù)雜的設(shè)計，集合幾種功能。它至少應(yīng)包含一個非線性元件”。由此可見，它是用來限制沖擊過電壓和泄放過電流的裝置，它可以是單個非線性元件組成，也可以是多個非線性元件組成，也可以是線性元件和非線性元件復(fù)合而成。

電涌保護(hù)器按構(gòu)成分為電壓限制型SPD和電壓開關(guān)型SPD兩大類。常用的電壓限制型元件有壓敏電阻和抑制二極管；常用的電壓開關(guān)型元件有放電間隙、氣體放電管、晶閘管（可控硅整流器）和雙向三極晶閘管。常見的SPD以電壓限制型SPD 為主，其構(gòu)成元件絕大部分為壓敏電阻。因此，本文以壓敏電阻構(gòu)成的電壓限制型SPD 為例，進(jìn)行模擬失效試驗的分析。

二、壓敏電阻的工作原理

壓敏電阻一般與電器并聯(lián)使用。當(dāng)壓敏電阻兩端所加電壓低于標(biāo)稱壓敏電壓時，壓敏電阻的阻值接近無窮大，內(nèi)部幾乎無電流流過，這樣就不影響電器設(shè)備的正常工作；當(dāng)壓敏電阻兩端電壓高于標(biāo)稱壓敏電壓時，壓敏電阻將迅速擊穿導(dǎo)通，并由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，泄放掉絕大部分的浪涌電流，從而保護(hù)了電器設(shè)備，此時，當(dāng)其兩端電壓低于標(biāo)稱壓敏電壓時，壓敏電阻又能自動恢復(fù)到高阻狀態(tài)。

壓敏電阻在高電壓下能迅速變?yōu)榈妥杩?，?dāng)高電壓消失時，又能迅速恢復(fù)到高阻抗的特性取決于壓敏電阻的U-I 特性曲線。ZnO 壓敏電阻器的U-I特性呈現(xiàn)出特殊的非線性，如圖1所示，其U-I特性曲線可以分為預(yù)擊穿區(qū)、擊穿區(qū)和回升區(qū)三個部分。當(dāng)電壓值達(dá)到擊穿電壓的數(shù)值以前，壓敏電阻接近于絕緣體；而在電壓高過擊穿電壓時，壓敏電阻呈現(xiàn)出導(dǎo)體的性質(zhì)。預(yù)擊穿區(qū)和擊穿區(qū)是元件的主要工作區(qū)。預(yù)擊穿區(qū)是線性的小電流區(qū)段，其U-I特性是線性的。當(dāng)電壓升高到超過其拐點電壓時，壓敏電阻進(jìn)入擊穿區(qū)。這個區(qū)段間是壓敏電阻工作的核心區(qū)段。這時候，電壓的微小增大變化會引起電流的急劇上升?；厣齾^(qū)是元件可能受到破壞的區(qū)域，在這個區(qū)段，壓敏電阻的U-I特性再次趨向線性，就像預(yù)擊穿區(qū)一樣，但這時候其電壓隨電流增大而上升的速度要快得多。

雖然壓敏電阻的工作電流非常小，但由于泄漏電流的存在，長期使用后有可能使壓敏電阻短路劣化，或者當(dāng)壓敏電阻吸收的能量大于其能量耐量時，也可能出現(xiàn)短路劣化。此外，當(dāng)壓敏電阻兩端電壓超過其最大限制電壓時，壓敏電阻將完全擊穿損壞，一般會使壓敏電阻呈現(xiàn)低阻抗而無法自行恢復(fù)到高阻抗。這時的壓敏電阻如果仍然連接在電路中就會產(chǎn)生安全隱患。所以，一般由壓敏電阻構(gòu)成的電涌保護(hù)器（SPD）一般都帶有一個內(nèi)部的脫離裝置，在壓敏電阻短路劣化時，將SPD 從電力系統(tǒng)中切斷開，從而防止火災(zāi)等類似災(zāi)害的產(chǎn)生。那么，這個脫離裝置就需要有一定的要求，當(dāng)壓敏電阻短路劣化時，能將SPD從電力系統(tǒng)切斷開，這個功能通過標(biāo)準(zhǔn)IEC 61643-11：2011 中的8.5.3.2 條款，即SPD的模擬失效試驗來進(jìn)行驗證。

圖1 壓敏電阻的U-I 曲線圖

三、SPD 模擬失效試驗

1.試驗方法

SPD模擬失效試驗的試驗電路圖如圖2所示，時序圖如圖3 所示。從圖中可以看出，SPD模擬失效試驗分為短路失效預(yù)處理試驗和短路電流試驗兩部分。其中短路失效預(yù)處理部分的電源電壓需滿足以下要求：（1） Uc不超過440V的SPD，施加1200V 的電壓；（2） Uc 高于440V 的SPD，施加等于3倍Uc的電壓。

短路試驗的電源電壓為UREF，試驗電流依次為100A、500A、1000A 以及制造廠聲稱的額定短路電流。在預(yù)處理試驗結(jié)束和施加UREF 電壓之間的時間間隔應(yīng)盡可能短，不應(yīng)超過100ms。

圖2. SPD 失效模擬試驗電路圖

圖3. SPD 失效模擬試驗時序圖

2.失效預(yù)處理試驗的試驗電流Ip

根據(jù)壓敏電阻的U-I 特性曲線可知，如果失效預(yù)處理試驗電流Ip 取值過小或未經(jīng)過預(yù)處理試驗直接施加UREF（一般為255V）在SPD上，壓敏電阻根本不會導(dǎo)通，起不到預(yù)期的效果；如果預(yù)處理試驗電流Ip 取值太大，又會導(dǎo)致壓敏電阻直接燒毀，同樣模擬不了壓敏電阻的短路失效。只有預(yù)處理試驗電流Ip選取適當(dāng)?shù)闹?，使壓敏電阻在預(yù)處理試驗階段完成短路失效的目的，才能使后續(xù)的短路電流試驗順利進(jìn)行，從而確定電涌保護(hù)器的脫離裝置是否有效。

結(jié)束語

電涌保護(hù)器是廣泛用在低壓配電系統(tǒng)中用于抑制過電壓、泄放電涌電流的低壓電器，其核心元器件通常是壓敏電阻。由于壓敏電阻在長期老化或者暫時過電

壓的作用下會發(fā)生短路失效，導(dǎo)致SPD上流過低壓配電系統(tǒng)在其安裝位置上的預(yù)期短路電流。SPD模擬失效試驗失效電流的選取對整個試驗具有至關(guān)重要的影響，選擇的電流過小時壓敏電阻沒有短路失效，后續(xù)的短路試驗就變得沒有意義。

參考文獻(xiàn)

[1]GB 18802.1-2011低壓電涌保護(hù)器（SPD） 第1部分：低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器性能要求和試驗方法

[2]IEC 61643-11：2011 Low-voltage surge protective devices- Part 11：Surge protective devices connected to low-voltagepower systems – Requirements and test methods