基于不同組合方式下電源系統(tǒng)SPD的試驗

陳慧，賴亞勝，陳聰

（1.肇慶市氣象局，廣東肇慶 526020；2.廣東省氣象公共服務(wù)中心，廣東廣州 510640）

雷擊過電流破壞電氣電子系統(tǒng)事件中，大部分都是從配電線路引入的。配電線路防過電壓和防雷擊電磁脈沖設(shè)計對電氣電子系統(tǒng)的保護至關(guān)重要［1］。電源電涌保護器（SPD）的主要作用是在雷電浪涌通過電源線路入侵供電系統(tǒng)時對其能量進行及時有效的泄放，從而實現(xiàn)對后端敏感電子設(shè)備的有效保護［2］。

防雷擊電磁脈沖中，通常設(shè)計多個不同類別和型號的SPD配合使用，力求達到前端SPD承擔(dān)大多數(shù)雷電流的泄放任務(wù)，后端SPD進一步降低過電壓保護水平［3］。近年來，學(xué)者們在相關(guān)領(lǐng)域取得一定的研究成果，王星等［4］研究了壓敏電阻在不同配合使用條件下的老化規(guī)律；李祥超等［5］從理論與試驗兩個角度對氣體放電管與壓敏電阻的能量配合進行研究，提出了二者級聯(lián)時，適當增加連接導(dǎo)線長度，能量配合效果更好。本研究通過SPD不同組合方式下的沖擊試驗并結(jié)合理論分析，測出每種組合沖擊前后的靜態(tài)參數(shù)，總結(jié)每種組合方式的優(yōu)缺點及適用場合，實現(xiàn)設(shè)備得到最有效保護且經(jīng)濟合理的組合設(shè)計。

1 SPD內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理

1.1 電源系統(tǒng)SPD常用的元件

電源系統(tǒng)SPD中最常用的兩種元件是壓敏電阻和氣體放電管。

（1）壓敏電阻。壓敏電阻是目前電源系統(tǒng)SPD中常用的具有非線性伏安特性的電阻器件，最常見的是氧化鋅壓敏電阻（MOV），主要作用是對電路過電壓進行鉗位，泄放雷電流以保護敏感器件。

優(yōu)點：通流容量大（100 A～100 kA）、響應(yīng)迅速，時間為ns級、低泄露電流、無工頻續(xù)流。

缺點：寄生電容大，限制電壓（箝位電壓）較高，具有不穩(wěn)定漏電流，低電壓時漏電流較大，較易老化［6］。

（2）氣體放電管。氣體放電管是一種泄放雷電瞬時過電流和限制過電壓作用的間隙式保護元件，管內(nèi)有兩個或兩個以上電極并充有惰性氣體，在無浪涌時呈現(xiàn)高阻抗，當出現(xiàn)電壓浪涌時放電管兩極被擊穿突變?yōu)榈妥杩梗?］。

優(yōu)點：通流容量大（1～100 kA）、極間電容?。ú淮笥?0 pF）。

缺點：擊穿電壓高且分散性較大、響應(yīng)速度較慢（μs級）、存在續(xù)流現(xiàn)象。

1.2 電源系統(tǒng)SPD常用的組合方式

電源系統(tǒng)SPD常用的組合方式主要有4種：單個壓敏電阻型、壓敏電阻并聯(lián)型、壓敏電阻串聯(lián)型、壓敏電阻與氣體放電管串聯(lián)型。

對電源系統(tǒng)SPD幾種常見的組合方式（壓敏電阻型、壓敏電阻并聯(lián)型、壓敏電阻串聯(lián)型、氣體放電管與壓敏電阻串聯(lián)型）在其標稱通流容量條件下用8/20μs電流波沖擊，測出各自的殘壓和通流并對數(shù)據(jù)進行分析。

2 SPD在不同組合方式下的試驗結(jié)果

對各種組合方式在其標稱通流容量條件下進行了沖擊，實驗所用壓敏電阻和氣體放電管的型號分別為ZOV 25D621k、SU7 090L 0509，壓敏電阻的標稱通流容量In為7.5 kA，壓敏電壓U1mA為620 V；氣體放電管的直流放電電壓為90 V，通流容量In為5 kA。

該次實驗采用組合波發(fā)生器模擬輸出8/20 μs電流波對各SPD組合進行沖擊實驗，每組試驗重復(fù)2次，得出的結(jié)果如表1所示（試驗數(shù)據(jù)為2次結(jié)果的平均值）。

表1 各組合沖擊前后的靜態(tài)參數(shù)以及沖擊殘壓和通流

根據(jù)表1繪制出的各種組合方式下的殘壓和通流容量直方圖如圖1所示，可以明顯的看出，兩個壓敏電阻串聯(lián)時的殘壓最高且其通流最小，而兩個壓敏電阻并聯(lián)時的殘壓最低（不考慮單個放電管，因為不單獨用放電管做為保護器件），且其通流最大［8］。

圖1 各組合沖擊后的殘壓（a）和通流（b）

2.1 壓敏電阻并聯(lián)試驗結(jié)果

由表1可見，兩個壓敏電阻并聯(lián)與單個壓敏電阻相比較可發(fā)現(xiàn)殘壓變小，而漏流和通流容量變大。從壓敏電阻的等效電路圖來分析（圖2），R為壓敏電阻的泄漏電阻，C為其固有電容，系統(tǒng)正常工作時，壓敏電阻的泄漏電阻很大，泄漏電流很小。當將兩個壓敏電阻并聯(lián)時，并聯(lián)阻抗減小，漏電流增大，通流容量也增大，此方式的最大優(yōu)點是它的大通流容量［9］。

圖2 壓敏電阻等效電路圖

從保護可靠性分析，采用多個壓敏電阻并聯(lián)比單個壓敏電阻更具優(yōu)勢。多次受浪涌電流沖擊后壓敏電阻易損壞，多個壓敏電阻并聯(lián)可實現(xiàn)對被保護設(shè)備的多重保護，即使其中一兩個壓敏電阻被損壞，仍可負擔(dān)起保護任務(wù)，還可減緩各壓敏電阻的性能退化；其次，多個壓敏電阻并聯(lián)阻抗較單個壓敏電阻顯著下降，殘壓減小，進而暫態(tài)過電流的泄放量增加，箝位電壓減小。然而，若器件的伏安特性、電氣性能一致性配合不好，易造成沖擊電流集中從某一個壓敏片泄放入地，而其它壓敏電阻分擔(dān)的電流很少，導(dǎo)致承擔(dān)大部分沖擊電流的壓敏片性能劣化，泄漏電流逐漸增大，長期以往器件過度發(fā)熱絕緣性能被破壞，對系統(tǒng)構(gòu)成威脅，而且多壓敏電阻的并聯(lián)會引起整個支路的寄生電容升高，嚴重影響高頻率電子系統(tǒng)的保護工作。因此，并聯(lián)壓敏電阻數(shù)量不宜超過3片，過多反而給電氣電子系統(tǒng)的保護帶來不利影響。

一般來說，多個壓敏電阻并聯(lián)適用于保護存在大暫態(tài)過電流的電路，對普通電路沒有明顯優(yōu)勢且增加了保護成本，一般電路可采用單個壓敏電阻進行保護。

2.2 壓敏電阻串聯(lián)試驗結(jié)果

兩個壓敏電阻串聯(lián)沖擊后，與單壓敏電阻比較，其通流容量有所減小，但殘壓幾乎是單壓敏電阻的2倍，這是因為兩壓敏電阻串聯(lián)后它們的電阻是單個時的2倍，所以在沖擊電流不變的情況下，殘壓翻倍。因此，壓敏電阻串聯(lián)一般比較少用，可用于后級保護工作電壓較高而單個壓敏電阻的壓敏電壓低于工作電壓的設(shè)備。

2.3 壓敏電阻與氣體放電管串聯(lián)試驗結(jié)果

壓敏電阻與氣體放電管串聯(lián)時，殘壓相對單個壓敏電阻單獨保護時稍高，通流量增大，無漏電流，但氣體放電管有電弧區(qū)續(xù)流的致命缺點。同時，壓敏電阻自帶的寄生電容，使它在交流電源系統(tǒng)下運行時產(chǎn)生較大的泄漏電流，以寄生電容為2 nF的壓敏電阻為例，在室內(nèi)交流電源線路中可產(chǎn)生約0.14 mA的泄漏電流，對部分系統(tǒng)設(shè)備運行構(gòu)成影響。但將氣體放電管與壓敏電阻串聯(lián)對系統(tǒng)進行保護，既可以克服壓敏片寄生電容產(chǎn)生的泄漏電流，減緩壓敏電阻性能的衰退，又可以有效地切斷放電管續(xù)流。因為在串聯(lián)組合支路中在無浪涌時呈現(xiàn)高阻抗的氣體放電管，充當開關(guān)將壓敏電阻與系統(tǒng)隔離開，避免支路中產(chǎn)生泄漏電流，有效地減緩壓敏電阻性能劣化；而壓敏電阻起著阻斷續(xù)流的作用，在暫態(tài)過電壓過后，它立即恢復(fù)高阻狀態(tài)，從而切斷氣體放電管的續(xù)流［10］。但是，這類組合的SPD反應(yīng)時間變長（為壓敏電阻和氣體放電管反應(yīng)時間之和）。這種組合方式適用于一些需要長期可靠的電涌保護，而對SPD響應(yīng)時間要求不太高的電路中。

2.4 壓敏電阻劣化試驗

由表1可知，壓敏電阻在不同電壓沖擊后，漏電流全部增大，說明壓敏電阻性能已經(jīng)逐漸劣化。因此，可以假設(shè)：漏電流會隨著沖擊電壓的增加而增大，為了驗證這個猜測，對一組并聯(lián)的壓敏電阻（記為1和2）在組合波發(fā)生器模擬輸出不同的8/20μs電流波下進行了連續(xù)沖擊，每次沖擊前后靜態(tài)參數(shù)變化如表2所示，由表2可以看出，隨著沖擊電壓的增加，兩壓敏電阻的漏電流均在增加，直到?jīng)_擊電壓達到14 kV時，壓敏電阻2的漏電流已超過1 mA，隨即用萬用表測出壓敏電阻2已經(jīng)損壞（阻值趨于0），證明經(jīng)過幾次超過其標稱通流量的電流沖擊后，壓敏電阻性能迅速惡化直至損壞［11］。由此可見電源系統(tǒng)中，壓敏電阻型SPD壽命有限，應(yīng)定期檢測，如果發(fā)現(xiàn)損壞，應(yīng)立即更換［12］。

表2 不同電壓連續(xù)沖擊后并聯(lián)壓敏電阻的靜態(tài)參數(shù)

3 結(jié)論

1）常見的組合方式中兩壓敏電阻并聯(lián)時的通流最大、殘壓最小，壓敏電阻串聯(lián)時殘壓最大、通流最小。

2）壓敏電阻并聯(lián)相對于單個壓敏電阻殘壓變小，且漏流和通流容量變大。適用于于較大暫態(tài)過電流的保護場合。但過多壓敏電阻并聯(lián)會增大整個支路的總寄生電容，壓敏電阻片不宜超過4片。

3）兩個壓敏電阻串聯(lián)后，通流容量減小，且殘壓倍增，一般比較少用，可用于后級保護工作電壓較高而單個壓敏電阻的壓敏電壓低于工作電壓的設(shè)備。

4）壓敏電阻與氣體放電管串聯(lián)時，殘壓相對單個壓敏電阻單獨保護時稍高，通流量增大，無漏電流，但反應(yīng)時間變長（為壓敏電阻和氣體放電管反應(yīng)時間之和），適用于一些需要長期可靠的電涌保護，但對SPD響應(yīng)時間要求不太高的電路中。

5）壓敏電阻漏電流隨著沖擊電壓的增大不斷升高，所以主要器件為壓敏電阻的SPD壽命有限，在接受大電流浪涌沖擊幾次后會損壞，應(yīng)定期檢測。