氧化類電壓限制型電涌保護(hù)器動作負(fù)載試驗(yàn)研究

賈志強(qiáng) 張利華 田艷茹

(1.北京市大興區(qū)氣象局 北京 102600；2.北京雷電防護(hù)裝置測試中心 北京 102600)

1 概述

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及現(xiàn)代化水平的提高，氧化鋅電壓限制型低壓配電電涌保護(hù)器(以下簡稱SPD)已被廣泛用于郵電通訊、電力、鐵道、機(jī)場、石化、工民建等各個行業(yè)。隨著SPD的大量使用，由其造成的火災(zāi)事故和雷電防護(hù)失效凸顯起來[1]。國外許多專家把電涌保護(hù)器起火現(xiàn)象稱之“防雷工作的次生災(zāi)害”，自1967年日本松下公司發(fā)明了電壓限制型低壓配電電涌保護(hù)器至今，起火現(xiàn)象一直是防雷工作有效發(fā)展中的瓶頸。美國消費(fèi)品安全委員會(CPSC)透露，已收到700起電涌保護(hù)器過熱和熔化的報告，以及55起因冒煙起火造成的財(cái)產(chǎn)損失報告[2-3]。國內(nèi)每年電壓限制型低壓配電電涌保護(hù)器火災(zāi)事故高達(dá)上萬起，給國家和企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

SPD起火事故引起了防雷行業(yè)的高度重視，目前國內(nèi)市場SPD產(chǎn)品質(zhì)量基于《低壓電涌保護(hù)器(SPD)》(GB/T 18802.1-2011)標(biāo)準(zhǔn)，且不能夠適應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61643-11-2011，提高SPD產(chǎn)品性能和標(biāo)準(zhǔn)迫在眉睫。已經(jīng)送審的GB/T 18802.11標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步明確了負(fù)載側(cè)功率特性動作負(fù)載試驗(yàn)及功率特性的產(chǎn)品標(biāo)識。很顯然，GB/T 18802.11更加重視和強(qiáng)化了電涌保護(hù)器在工作狀態(tài)(有標(biāo)識下的額定負(fù)載電流/功率的狀態(tài))下對電涌保護(hù)器的保護(hù)特性，要求在負(fù)載端安裝的電涌保護(hù)器必須標(biāo)明標(biāo)稱擬定被保護(hù)的負(fù)載工作電流。為了配合新標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施，本文依托“低壓電涌保護(hù)器(鉗壓型)動作負(fù)載研究”科研課題，做一些相關(guān)試驗(yàn)研究。

2 低壓配電電涌保護(hù)器故障起火機(jī)理

氧化鋅變阻器類電壓限制型低壓配電電涌保護(hù)器起火的原因很多，其中包括：動作負(fù)載的著火故障、單相接地過電壓起火故障、高低壓共地耦合轉(zhuǎn)移過電壓起火故障、失零過電壓起火故障、雷擊續(xù)流起火故障及相電壓相續(xù)高壓故障等。

國內(nèi)外及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中要求電壓限制型低壓配電電涌保護(hù)器安裝后備過流保護(hù)裝置，目的是當(dāng)電壓限制型低壓配電電涌保護(hù)器出現(xiàn)起火短路故障時，保護(hù)裝置能夠迅速切斷電路，避免保護(hù)開關(guān)出現(xiàn)越級脫扣，造成電源系統(tǒng)大面積斷電[4-5]。另外一個作用是防止電源系統(tǒng)出現(xiàn)電壓異常升高導(dǎo)致電壓限制型低壓配電電涌保護(hù)器啟動流入工頻電流起火。很遺憾目前所有的斷路設(shè)備(各種斷路器、熔斷器)均在電壓限制型低壓配電電涌保護(hù)器起火時無法斷開，因?yàn)殡妷合拗菩偷蛪号潆婋娪勘Ｗo(hù)器起火時起始保護(hù)器故障電流較小而達(dá)不到斷路裝置的工作電流，造成氧化鋅變阻器類電壓限制型低壓配電電涌保護(hù)器起火。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

氧化鋅變阻器類電壓限制型電涌保護(hù)器，需在電涌保護(hù)器最大持續(xù)工作電壓下施加擬定被保護(hù)負(fù)載的功率(通常以負(fù)載工作電流為代表)，安裝工頻電流/電壓的正弦波設(shè)定的角度下實(shí)施模擬雷電流沖擊實(shí)驗(yàn)，觀察電涌保護(hù)器的各種系統(tǒng)工作狀態(tài)，用以確定是否發(fā)生續(xù)流下的著火現(xiàn)象，測試目前國內(nèi)SPD產(chǎn)品在國際標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)送審的新標(biāo)準(zhǔn)下的實(shí)驗(yàn)性能和質(zhì)量情況。

3.2 試驗(yàn)依據(jù)

試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)：(1)《低壓電涌保護(hù)器(SPD)第11部分：低壓配電系統(tǒng)電涌保護(hù)器性能要求和試驗(yàn)方法》(IEC 61643-11-2011)；(2)《低壓電涌保護(hù)器(SPD)第11部分：低壓配電系統(tǒng)電涌 保護(hù)器性能要求和試驗(yàn)方法》(GB/T 18802.11-20××)送審稿[6]；(3)《低壓電涌保護(hù)器(SPD)第1部分：低壓配電系統(tǒng)電涌保護(hù)器性能要求和試驗(yàn)方法》(GB/T 18802.1-2011)。

3.3 試驗(yàn)系統(tǒng)流程(見圖1)

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)流程

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

試驗(yàn)試品為市場采購品，分10組進(jìn)行試驗(yàn)，每組3只樣品。試驗(yàn)設(shè)備包括三進(jìn)單出大功率隔離變壓器，1 500 A交流負(fù)載柜，模擬雷擊電流發(fā)生器，動作負(fù)載測試系統(tǒng)，高溫試驗(yàn)設(shè)備，分壓器、分流器等其他輔助試驗(yàn)設(shè)備。

3.4.1 試品第一次Up前期預(yù)測試驗(yàn)循環(huán)試驗(yàn)

對每只SPD進(jìn)行20 kA(8/20)三次沖擊，然后對試品的Up進(jìn)行測試，掌握試品試驗(yàn)前的初始電壓保護(hù)水平Up。

將所得數(shù)據(jù)做Up-沖擊電流In坐標(biāo)圖(kV-kA)，如圖2所示，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：坐標(biāo)點(diǎn)分布在斜率為0.272 kV/kA，垂直寬為0.42 kV，而且上沿經(jīng)過(18.5 kA，1.32 kV)坐標(biāo)點(diǎn)，下沿經(jīng)過(18.5 kA，0.9 kV)坐標(biāo)點(diǎn)的向上傾斜的通道內(nèi)；為了后面的分析對比，我們定義這個通道為初始狀態(tài)通道，并記下通道位置；為了過濾掉試驗(yàn)沖擊電流In的波動對Up的影響，我們引入了Up/In這一參數(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算，得到預(yù)計(jì)Up與沖擊電流In的初始比值為：(Up/In)0＝0.078 0 kV/kA。

圖2 第一次Up前期預(yù)測試驗(yàn)(Up/In)圖

3.4.2 試品系統(tǒng)Uc預(yù)測試驗(yàn)

系統(tǒng)Uc預(yù)測試驗(yàn)是將試品兩端加上Uc，在烘箱85°溫度環(huán)境48 h老化，使試品內(nèi)部形成的結(jié)構(gòu)更加牢固穩(wěn)定，逐漸使其理化性能、電氣學(xué)特性更加趨于穩(wěn)定和正常；老化試驗(yàn)后隨即測量參考Up值。

將所得數(shù)據(jù)做Up-沖擊電流In坐標(biāo)圖(kV-kA)，并疊加上一步驟所得初始狀態(tài)通道，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)Uc預(yù)測試驗(yàn)(Up/In)圖

對圖3進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)一部分落點(diǎn)向通道上沿移動，有的超過了上沿，大部分保持在第一次Up前期預(yù)測試驗(yàn)的落點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，少部分向下移動分散，(Up/In)1＝0.079 8 kV/kA。雖然這只是試驗(yàn)過程的中間環(huán)節(jié)，但可以說明，我們在市場上隨機(jī)采購的試品質(zhì)量是參差不齊的。

3.4.3 試品第二次Up預(yù)測試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對冷卻后每只試品進(jìn)行3次20 kA(8/20)電流沖擊，測試Up。

將所得數(shù)據(jù)做Up-沖擊電流In坐標(biāo)圖(kV-kA)，并疊加初始狀態(tài)通道，如圖4所示。

圖4 第二次Up預(yù)測試驗(yàn)(Up/In)圖

從圖4可知，落點(diǎn)分布與上一試驗(yàn)圖(系統(tǒng)Uc預(yù)測試驗(yàn)圖)相似，沒有大的變化，(Up/In)2＝0.081 1 kV/kA。

3.4.4 初始In沖擊電流試驗(yàn)

對冷卻至室溫后的試品進(jìn)行In20 kA(8/20)下的雷擊電流沖擊，正反極性各5次，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施試驗(yàn)冷卻間歇；試驗(yàn)結(jié)果：所有試品均未見異常。

3.4.5 試品Imax沖擊電流試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對試品進(jìn)行Imax下的雷擊電流沖擊，正反極性各一次，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施試驗(yàn)冷卻間歇。試驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可以看出，有4只試品內(nèi)部脫扣。

表1 對試品進(jìn)行Imax 40 kA(8/20)正反極性各一次沖擊

3.4.6 試品第三次Up測試試驗(yàn)

試品冷卻至室溫后，進(jìn)行In20 kA(8/20)下的雷擊電流沖擊，將所得數(shù)據(jù)做Up-沖擊電流In坐標(biāo)圖(kV-kA)，并疊加初始狀態(tài)通道，如圖5所示。

圖5 第三次Up預(yù)測試驗(yàn)(初始Imax沖擊電流正負(fù)各一次后測試殘壓)

圖5中顯示，除了4只脫扣試品，其余試品Up值均未有明顯的變化，落點(diǎn)仍在初始通道內(nèi)，其電氣性能未受損壞，(Up/In)3＝0.082 7 kV/kA；[(Up/In)3-(Up/In)2]/(Up/In)3*%＝1.9%?？梢?，(Up/In)變化率只有1.9%，很小。

3.4.7 試品初始5 A預(yù)處理試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)要求，在試品兩端施加Uc電壓，輸出功率為5 A負(fù)載。在Uc正弦波的30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、360°實(shí)施In下的電流沖擊，觀察動作負(fù)載情況，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施試驗(yàn)冷卻間歇。試品全部通過測試。

3.4.8 300 A動作負(fù)載循環(huán)試驗(yàn)

試品冷卻至室溫后，在兩端施加Uc電壓，輸出功率為300 A負(fù)載。在Uc正弦波的30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、360°實(shí)施In下的電流沖擊，觀察動作負(fù)載情況，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施試驗(yàn)冷卻間歇。

數(shù)據(jù)結(jié)果：試品全部通過測試。

3.4.9 1 500 A動作負(fù)載循環(huán)試驗(yàn)

試品冷卻至室溫后，在兩端施加Uc電壓，輸出功率為1 500 A負(fù)載。在Uc正弦波的30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、360°實(shí)施In下的電流沖擊，觀察動作負(fù)載情況，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施試驗(yàn)冷卻間歇。

數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。由表2可知，有11只試品損壞起火，僅15只試品通過了試驗(yàn)。

表2 1 500 A動作負(fù)載循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.4.10 試品第四次Up測試試驗(yàn)

冷卻至室溫后，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對試品進(jìn)行三次In20 kA(8/20)下的雷擊電流沖擊，讀取Up值，做Up-沖擊電流In坐標(biāo)圖(kV-kA)，并疊加初始狀態(tài)通道，如圖6所示。

圖6 第四次Up預(yù)測試驗(yàn)(1 500 A動作負(fù)載循環(huán)試驗(yàn)后，Uc385In沖擊記錄殘壓)

有11只試品未通過1 500 A動作負(fù)載循環(huán)試驗(yàn)；15只試品通過了全部測試。通過測試的15只試品，其Up在Up-沖擊電流In坐標(biāo)圖(kV-kA)上的落點(diǎn)，一部分略有向上的變化，(Up/In)4＝0.083 4 kV/kA。

3.4.11 典型波形分析

從圖7a可以看到線路波形在沖擊前保持負(fù)載電壓的正弦波形，沖擊時SPD短路著火，線路電壓歸零，波形是接近零軸的直線；從圖7b可以看出，沖擊后SPD自恢復(fù)性能良好，線路電壓波形恢復(fù)為負(fù)載電壓波形；從圖7c可以看出，沖擊后SPD自恢復(fù)性能良好，線路電壓波形恢復(fù)為負(fù)載電壓波形。

圖7 典型波形分析

4 試驗(yàn)總結(jié)

在工頻1 500 A動作負(fù)載試驗(yàn)中，損壞著火均出現(xiàn)在0～90°工頻角和180°～270°工頻角，拆開損壞的試品，發(fā)現(xiàn)著火多數(shù)存在4個邊角著火，也存在4個角著火。在通過1 500 A工頻動作負(fù)載試驗(yàn)的產(chǎn)品中，也有6只脫扣未著火，拆開后發(fā)現(xiàn)MOV芯片有工頻電流通過的微小痕跡，內(nèi)部脫扣裝置實(shí)現(xiàn)了負(fù)載電流的阻攔，SPD與負(fù)載電源脫離未發(fā)生著火。存在差異的原因，是由于試品的制作工藝、技術(shù)及配方的差異形成的。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，一部分試品通過了試驗(yàn)，而另一部分試品出現(xiàn)了著火損壞。低溫焊錫絲、溫度軟金屬、拉力彈簧的彈性系數(shù)、合金彈片的物理構(gòu)成與彈性系數(shù)與負(fù)載電流的關(guān)系等都是影響動作負(fù)載SPD脫扣的原因。

通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了在一定的負(fù)載電流條件下，雷電沖擊配電系統(tǒng)，可以造成負(fù)載電流通過配電系統(tǒng)電涌保護(hù)器短路，引起起火，而內(nèi)部脫扣裝置正常動作切斷負(fù)載電流則能夠避免著火。