基于RLC沖擊回路的低壓配電SPD試驗(yàn)研究

石劍

摘 要：針對(duì)SPD及其沖擊電流測試設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)合低壓配電SPD的測試方法進(jìn)行了大量試驗(yàn)，分析測試中存在的3個(gè)問題：指出用10/350 ?s波形觸發(fā)續(xù)流會(huì)引起球隙開關(guān)拉弧使沖擊設(shè)備和電源形成低阻抗回路，從而對(duì)設(shè)備和電源帶來損害，并導(dǎo)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(yùn)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(duì)試驗(yàn)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(duì)以后的測試工作具有一定的指導(dǎo)意義。

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

中圖分類號(hào)：TM774 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）08（c）-0036-05

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

結(jié)合某集團(tuán)CNAS試驗(yàn)室的現(xiàn)有設(shè)備分析了沖擊電流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，并對(duì)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(jī)構(gòu)來進(jìn)行過電壓保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)，因此存在較多疑問。主要有3個(gè)方面：（1）2007年的IEC工作會(huì)議上，有多人提出為什么用于Ⅰ級(jí)試驗(yàn)的SPD不用10/350 ?s波形進(jìn)行預(yù)處理實(shí)驗(yàn)來觸發(fā)續(xù)流，卻使用8/20 ?s波形。通過試驗(yàn)說明用10/350 ?s觸發(fā)續(xù)流會(huì)存在開關(guān)拉弧形成近似短路回路問題，也是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)[7-8]中相關(guān)規(guī)定的間接有力支持；（2）國標(biāo)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(yàn)驗(yàn)證了使用最大持續(xù)運(yùn)行電壓來測試漏流相對(duì)更加合理；（3）在殘壓測試時(shí)，會(huì)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(huì)維持很長時(shí)間才到零，這個(gè)浪涌波過后的電壓從何而來？通過試驗(yàn)并結(jié)合電路理論分析了電容器殘余電荷對(duì)殘壓波形的影響。

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

1 低壓配電SPD試驗(yàn)研究

1.1 開關(guān)型SPD續(xù)流測試問題分析

觸發(fā)續(xù)流的預(yù)處理試驗(yàn)是針對(duì)開關(guān)型SPD，而開關(guān)型SPD主要用于第一級(jí)防護(hù)，主要用于泄放大的雷電流能量。一級(jí)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(duì)預(yù)期短路電流要求較大的情況下用10/350 ?s沖擊時(shí)如果SPD損壞或者未能正確導(dǎo)通，電流會(huì)直接沖擊到變壓器中，對(duì)電源變壓器損傷較大，具有很大的危險(xiǎn)性。如果采取退耦網(wǎng)絡(luò)保護(hù)進(jìn)行試驗(yàn)，則預(yù)期短路電流和功率因素?zé)o法滿足要求。

另外，用10/350 ?s波形進(jìn)行觸發(fā)時(shí)當(dāng)供電電壓較高時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)的主放電球產(chǎn)生電弧現(xiàn)象，工頻電流會(huì)流過試驗(yàn)臺(tái)，測試原理圖見圖1。

試驗(yàn)設(shè)備由2臺(tái)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(gè)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(shí)電容為960 ?F，沖擊電流大于30 kA時(shí)電容為1 920 ?F。

開關(guān)型器件在低壓配電系統(tǒng)中都是連接在中線和保護(hù)線之間，預(yù)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(biāo)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(yù)處理試驗(yàn)的要求。

分析圖2和3的波型，由于球隙觸發(fā)放電時(shí)開關(guān)型SPD沒有動(dòng)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(gè)回路阻抗相對(duì)較小，電源電壓直接加在試驗(yàn)臺(tái)脈沖電容器兩端，產(chǎn)生回路，電源的預(yù)期短路電流將會(huì)流過試驗(yàn)臺(tái)，燒蝕球隙開關(guān)，給設(shè)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(dòng)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(duì)較弱。因此，即使開關(guān)型器件順利動(dòng)作導(dǎo)通而如果球隙不能及時(shí)斷開回路并且熔斷器不能及時(shí)熔斷的話也會(huì)產(chǎn)生電源電流經(jīng)上述低阻抗回路流經(jīng)試驗(yàn)臺(tái)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(shí)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(shí)際，612 V的漏電流為86 ?A，748 V的漏電流為0.22 ?A，這對(duì)工程上選用和安裝都有更實(shí)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(dá)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(yùn)行電壓Uc來測試MOV的漏流值大小。這樣也能更好地反應(yīng)MOV在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中的預(yù)期漏流的大小。

一個(gè)Uc=385 V的SPD，實(shí)測出U1mA=585 V，處于10%合格范圍。0.75U1mA是按照585V為基準(zhǔn)計(jì)算0.75，測試的漏電流較??；而用Uc=385 V，轉(zhuǎn)換Udc=505 V，那這樣測出的漏電流會(huì)大一些，無論U1mA選的上限還是下限，只要用于這個(gè)Uc下，就應(yīng)該這樣測試。

圖4是某集團(tuán)CNAS試驗(yàn)室用0.75U1mA和最大持續(xù)運(yùn)行電壓進(jìn)行90次測試的漏流值對(duì)比。壓敏電阻最大持續(xù)運(yùn)行電壓420 V，參考電壓680 V，標(biāo)稱電流20 kA，每進(jìn)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(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到60次沖擊的時(shí)候，漏流值開始出現(xiàn)較明顯的變化。其實(shí)在進(jìn)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(shí)測參考電壓，從圖4中可見整個(gè)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(gè)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(shí)際應(yīng)用增加了困難和風(fēng)險(xiǎn)。而用最大持續(xù)運(yùn)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(duì)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(duì)試驗(yàn)殘壓的影響

在探討脈沖電容器剩余電荷對(duì)試驗(yàn)的影響之前，先對(duì)8/20 μs浪涌發(fā)生器放電回路的通斷時(shí)間進(jìn)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(jìn)行點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)波形。雖然氣缸動(dòng)作的通斷時(shí)間可以通過程序來設(shè)定，但最小也是毫秒級(jí)。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(duì)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(duì)波形的測量帶來不利影響。

為了驗(yàn)證上述觀點(diǎn)，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(shí)，殘余正電荷；大電流時(shí)，殘余負(fù)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(gè)電壓值等于脈沖電容器的殘余電壓值。殘余電壓維持的時(shí)間等于沖擊回路開關(guān)切斷的時(shí)間。

試驗(yàn)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(dòng)態(tài)電阻r可以等效為一個(gè)電阻，那么圖可以簡化為圖7。這是一個(gè)零輸入RLC串聯(lián)電路。關(guān)系式如式（1）。

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

正0.2 kA沖擊下，SPD的動(dòng)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(huì)過零形成負(fù)峰。當(dāng)系統(tǒng)電壓在小于壓敏啟動(dòng)電壓時(shí)，壓敏恢復(fù)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(diǎn)火裝置切斷的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于壓敏切斷的時(shí)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(gè)跌落過程。

正4kA沖擊下，SPD的動(dòng)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(huì)過零形成負(fù)峰。同樣，當(dāng)在負(fù)峰階段，系統(tǒng)電壓在小于壓敏啟動(dòng)電壓時(shí)，壓敏恢復(fù)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(fù)的電壓。由于點(diǎn)火裝置切斷的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于壓敏切斷的時(shí)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(gè)跌落過程。如果被保護(hù)設(shè)備接到壓敏兩端，那么這個(gè)毫秒時(shí)間的過電壓將有可能造成被保護(hù)設(shè)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(huì)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(huì)對(duì)電源和設(shè)備產(chǎn)生很大的危險(xiǎn)隱患。這也更好地解釋了IEC、GB等標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)證了使用最大持續(xù)運(yùn)行電壓測試壓敏漏流相對(duì)來說可以更好地區(qū)別產(chǎn)品性能并在工程應(yīng)用方面具有更實(shí)際的意義。

（3）由于沖擊后球隙開關(guān)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(dǎo)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(shí)間為球隙開關(guān)關(guān)斷所用時(shí)間。

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