不同接線模式下多級SPD沖擊試驗(yàn)結(jié)果對比分析

付宗見

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 451460）

0 引言

近年來，防護(hù)意識的加強(qiáng)和防雷技術(shù)的發(fā)展使人們對過電壓的防護(hù)越來越重視。然而電器電子設(shè)備的過電壓耐受能力仍舊沒有得到提高。而過電壓防護(hù)主要是依靠電涌保護(hù)器來實(shí)現(xiàn)的。電涌保護(hù)器主要是通過以并聯(lián)或串聯(lián)在被保護(hù)電子設(shè)備兩端，利用其中的非線性元件泄放過電流和限制過電壓對被保護(hù)電子設(shè)備進(jìn)行保護(hù)[1]。由此可知，在SPD中的非線性元件是過電壓防護(hù)的關(guān)鍵。由于非線性元件的過電壓耐受特性又有各自特點(diǎn)，因此導(dǎo)致了傳統(tǒng)的模塊式電涌保護(hù)器存在使用壽命不夠長、漏電流偏大、動作不穩(wěn)定等缺陷[2]。

李清泉等[3]利用波過程的理論，分析了ZnO壓敏電阻和TVS在二級配合試驗(yàn)中的能量傳輸情況，并將行波理論很好的運(yùn)用在了組合型浪涌保護(hù)電路中的沖擊反應(yīng)過程。李慶君等[4]從理論分析的角度對低壓配電系統(tǒng)中的多級電涌保護(hù)器之間的能量配合作了分析。李祥超等[5]人研究了氣體放電管與壓敏電阻的能量配合，研究表明，氣體放電管與壓敏電阻級聯(lián)時，在沖擊電壓相同的情況下，連接導(dǎo)線越長，壓敏電阻的電流分比越小，能量配合效果越好。

筆者利用實(shí)際沖擊平臺，用1.2/50 μs、8/20 μs組合波對多級SPD進(jìn)行實(shí)際沖擊研究，主要研究其不同接線模式下限制電壓以及殘壓、通流量的變化情況。研究結(jié)果對實(shí)際的防雷工程設(shè)計(jì)提供一定的科學(xué)指導(dǎo)意義。

1 多級SPD的基本概述

不同結(jié)構(gòu)的浪涌保護(hù)器的保護(hù)性能還是存在較大差異，保證維持放電電壓或交流電源電壓幅值高于直流電源電壓，設(shè)計(jì)應(yīng)用中就不會在泄放過電壓后產(chǎn)生續(xù)流[6]。但是，在電弧區(qū)仍然有產(chǎn)生續(xù)流的可能，這可以利用壓敏電阻等器件來幫助解決。而薛紅兵等[7]研究表明，暫態(tài)過電壓作用于氣體放電管時，在一個延遲時間之后才會開始放電。當(dāng)氣體放電管與壓敏電阻組合使用時，這一響應(yīng)特性也成為了使用退耦元件來改善其放電性能的依據(jù)之一。此外，各非線性元器件的響應(yīng)時間不同，導(dǎo)致了SPD動作時間的差異，如果可以使氣體放電管、ZnO壓敏電阻、TVS三者的配合，可以在一定程度上使氣體放電管的響應(yīng)速度更加迅速。

利用氣體放電管、ZnO壓敏電阻、TVS和退耦元件組成了如圖1所示的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)下，制成的多級SPD如果通過計(jì)算使其能量配合合理，理想狀態(tài)下應(yīng)該是殘壓低，工頻續(xù)流小，無泄漏電流，性能穩(wěn)定。

圖1 多級SPD內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Multi stage SPD internal circuit structure

2 元件參數(shù)計(jì)算

按照 GB18802.1—2011 中對 1.2/50 μs、8/20 μs組合波沖擊測試的規(guī)定，同時考慮實(shí)際試驗(yàn)中使用的各器件的特性。本次沖擊實(shí)驗(yàn)中第3級保護(hù)中使用瞬態(tài)抑制二級管的額定最高工作電壓（UWM）必須高于被保護(hù)電路的正常工作電壓，但低于被保護(hù)電路的可承受極限電壓[8]。因此它至少應(yīng)該為39.6 V，即在36 V基礎(chǔ)上再加直流電源有±10%的電壓波動?？紤]到實(shí)際試驗(yàn)中使用的1.5KE系列TVS中額定最高工作電壓UWM最接近39.6 V的TVS的UWM為48 V，因此在仿真中TVS的UWM也取為48 V。

對于2級保護(hù)中的ZnO壓敏電阻仿真參數(shù)來說，當(dāng)直流或交流電壓高于ZnO壓敏電阻兩端的標(biāo)稱電壓時，就會縮短其使用壽命。因此，其兩端的電壓值必須要低于最大持續(xù)工作電壓UC。而壓敏電壓值U1mA應(yīng)大于實(shí)際電路的電壓值，一般應(yīng)使用式（1）對ZnO壓敏電阻進(jìn)行選擇[9]。

根據(jù)式（1）中各參數(shù)，可計(jì)算出ZnO壓敏電阻的電壓值為54.4 V。

對于第一級保護(hù)中所用的氣體放電管，一般選用經(jīng)驗(yàn)法選擇。要求其直流放電電壓的下限值必須大于線路正常運(yùn)行電壓的峰值，滿足以下經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：Uoc為直流放電電壓；min（Uoc）為直流放電電壓的下限值；Up為線路正常運(yùn)行的電壓峰值；系數(shù)1.15是考慮到系統(tǒng)運(yùn)行電壓最大允許波動為15%；系數(shù)1.25是在線路運(yùn)行電壓波動的基礎(chǔ)上再追加25%的安全裕度[10]。

除了以上對各元件的單獨(dú)分析之外，還要考慮它們之間的能量配合，所以要在各元件之間加裝退耦元件。對退耦元件的電感值大小應(yīng)滿足以下公式：

式中：Lmin為退耦電感的最小值；Ures1為后級電路中的總殘壓值；Ures2為氣體放電管的直流放電電壓Uoc，di為dt時間內(nèi)流過退耦電感的電流最大值[11-12]。

3 多級SPD實(shí)際沖擊試驗(yàn)

3.1 限制電壓沖擊試驗(yàn)

由于多級SPD中存在開關(guān)元件，因此根據(jù)GB 18802.1—2011對其進(jìn)行限制電壓沖擊試驗(yàn)。利用1.2/50 μs開路電壓波波形發(fā)生器分別對多級SPD線-線模式和線-地模式限制電壓進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前，將沖擊電壓設(shè)置為500 V，對該模式下多級SPD進(jìn)行正負(fù)極性沖擊各5次，在輸出端，即多級SPD的末級，利用電壓探頭測量限制電壓波形，并用Tektronix TDS 2022B示波器記錄波形。線-地模式和線線模式共進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，為了使試品冷卻到試問每次沖擊間隔3 min。根據(jù)記錄的波形得到的最大峰值電壓，做出圖2所示的線-地模式和線-線模式的限制電壓變化。

圖2 限制電壓變化Fig.2 Limiting voltage change

從圖中可看出：在500 V、1.2/50 μs開路電壓波沖擊下，線-地之間限制電壓保持在450 V左右，線-線之間的限制電壓可維持在40 V左右。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可看出，多級SPD通過第一級氣體放電管的電流泄放后兩級的對電壓箝位作用，可將電壓限制在一個較低的水平，從而保護(hù)后級設(shè)備能夠正常運(yùn)行。

3.2 組合波沖擊試驗(yàn)

采用1.2/50 μs、8/20 μs組合波對SPD進(jìn)行實(shí)際的沖擊試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)中線-地模式記錄的20組數(shù)據(jù)和線-線模式所記錄的40組數(shù)據(jù)，利用Origin擬合出實(shí)際沖擊中的通流容量與殘壓曲線，見圖3。

從圖中可看到，線-地模式和線-線模式下實(shí)際沖擊試驗(yàn)中的殘壓總體相差不大，都是隨著沖擊電壓的升高呈上升趨勢，其中在沖擊電壓較小時，曲線陡度較大，隨著沖擊電壓升高，曲線逐漸趨于平緩，線-地模式下，殘壓在沖擊電壓超過5.5 kV后維持在42 V左右，線-線模式下，在沖擊電壓超過1.2 kV后也在42 V左右。同時，兩種模式下的通流容量盡管都隨著沖擊電壓的升高呈上升趨勢，但在同等沖擊電壓下，通流容量差異卻很大。線-地模式下，實(shí)際沖擊試驗(yàn)的通流通流容量在3 kA上下浮動，線-線模式下的最大通流容量則在600 A左右。

此外，在線-線模式的曲線中可以明顯看出，當(dāng)沖擊電壓為0.45 kV左右時，其殘壓和通流容量均有一個突變，這說明氣體放電管在此時處于深度導(dǎo)通狀態(tài)，即電阻最小的狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)過程中，可以明顯看出在相同沖擊電壓下，多級SPD的響應(yīng)時間比單個氣體放電管的響應(yīng)時間要短。

在實(shí)驗(yàn)中，還得到了典型的殘壓、通流沖擊波形，見圖4。由于觸發(fā)時，雜波干擾較大，因此在觀察該類波形時，只看觸發(fā)穩(wěn)定后的波形及幅值變化。

圖3 組合波沖擊下通流容量與殘壓曲線Fig.3 Curve of flow capacity and residual voltage under combined wave impulse

4 結(jié)論

通過對多級SPD的電路進(jìn)行限制電壓沖擊試驗(yàn)、組合波沖擊試驗(yàn)研究，可得到以下結(jié)論：

1）在500 V、1.2/50 μs開路電壓波沖擊下，線-地之間限制電壓保持在450 V左右，線-線之間的限制電壓可以維持在40 V左右。

2）在組合波沖擊實(shí)驗(yàn)下，線-地模式和線-線模式下，實(shí)際沖擊試驗(yàn)中的殘壓總體相差不大，都是隨著沖擊電壓的升高呈上升趨勢，其中在沖擊電壓較小時，曲線陡度較大，隨著沖擊電壓升高，曲線逐漸趨于平緩，線-地模式下，殘壓在沖擊電壓超過5.5 kV后維持在42 V左右，線-線模式下，在沖擊電壓超過1.2 kV后也在42 V左右。同時，兩種模式下的通流容量盡管都隨著沖擊電壓的升高呈上升趨勢，但在同等沖擊電壓下，通流容量差異卻很大。

圖4 組合波沖擊試驗(yàn)波形Fig.4 Combined wave impulse test waveform

3）各級浪涌保護(hù)器件之間能量配合合適的情況下，多級SPD不僅可以使保護(hù)水平得到增強(qiáng)，還縮短了響應(yīng)時間，使其動作更加靈敏，在實(shí)際中，應(yīng)用于低壓電源供電系統(tǒng)中可靠性較強(qiáng)，具有一定的工程應(yīng)用價值。

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