對(duì)SPD的寬波脈沖電流耐受能力的分析及試驗(yàn)建議　

作者 譚勝淋 康國(guó)耀 深圳遠(yuǎn)征技術(shù)有限公司(廣東 深圳 518000)

譚勝淋(1988-)，男，工程師，研究方向：電子信息，雷電防護(hù)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。

摘要：本文主要研究分析了SPD的寬波脈沖電流耐受能力，系統(tǒng)地分析了低壓配電系統(tǒng)中的雷電過(guò)電壓過(guò)電流、配電系統(tǒng)相互干擾和用電設(shè)備的兼容性、誤操作及故障等影響因子，并通過(guò)列舉多項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果和理論分析說(shuō)明，論證SPD的窄波脈沖耐受能力與寬波脈沖耐受能力之間沒(méi)有等效性，對(duì)規(guī)定SPD的寬波脈沖電流耐受能力的試驗(yàn)要求和方法的必要性。

引言

　　SPD(Surge Protective Device)，即防雷器，又稱(chēng)避雷器、浪涌保護(hù)器、電涌保護(hù)器、過(guò)電壓保護(hù)器等，主要用于保護(hù)用電設(shè)備免遭雷電電磁脈沖或操作過(guò)電壓破壞。SPD在抑制浪涌過(guò)電壓、分流浪涌電流，保護(hù)其他電子/電氣裝置的同時(shí)，自身必須能耐受設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的脈沖應(yīng)力對(duì)它的破壞作用。以性能要求來(lái)區(qū)分，則SPD上的脈沖應(yīng)力可分為兩類(lèi)，即高峰值的窄波脈沖(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為HSI)和低峰值的寬波脈沖(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為L(zhǎng)LI)。

　　低壓配電系統(tǒng)中因雷電過(guò)電壓過(guò)電流、配電系統(tǒng)相互干擾和用電設(shè)備的不兼容性、誤操作及故障等影響，引起各種不同峰值和時(shí)間寬度的脈沖過(guò)電壓。低壓配電系統(tǒng)中的SPD，在實(shí)際運(yùn)行中失效甚至產(chǎn)生安全隱患的主要原因?yàn)橐韵氯N：

　　(1)SPD遭受超過(guò)其最大額定值的多次強(qiáng)脈沖的破壞作用;

　　(2)配電系統(tǒng)中的頻度很高的操作過(guò)電壓(大多是低峰值的寬波脈沖)消耗MOV型SPD的大部分“安-秒”資源，在“安-秒”資源耗盡后，一旦遭到雷電脈沖侵入直接損壞;

　　(3)SPD自身的缺陷。

　　以上三種原因中，原因(2)是主要的，它出現(xiàn)的概率最高。因?yàn)榈蛪号潆娤到y(tǒng)中超過(guò)SPD最大額定值的強(qiáng)脈沖的出現(xiàn)概率極低。因此，原因(1)損壞的可能性很小;對(duì)于出廠(chǎng)前經(jīng)過(guò)可靠性篩選的合格產(chǎn)品，類(lèi)型(3)也不會(huì)發(fā)生。因此，保證SPD的寬波脈沖電流耐受能力意義重大。但現(xiàn)行的低壓配電系統(tǒng)用SPD技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61643-1，暫未提出這一性能指標(biāo)和試驗(yàn)方法。

　　目前，雷電學(xué)術(shù)界中有一種觀(guān)點(diǎn)：SPD的窄波脈沖耐受能力與寬波脈沖耐受能力之間有一定等效關(guān)系，因此IEC61643-1的8/20脈沖電流動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)，表征SPD的寬波脈沖耐受能力。本文列舉的多項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果和理論分析都說(shuō)明，這一觀(guān)點(diǎn)不符合目前使用量最大的MOV型SPD的實(shí)際情況，這種類(lèi)型SPD的窄波脈沖耐受能力與寬波脈沖耐受能力之間沒(méi)有等效。因此，規(guī)定SPD的寬波脈沖電流耐受能力的試驗(yàn)要求和方法的必要性。

　　現(xiàn)行的低壓配電系統(tǒng)用SPD技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，國(guó)際電工委標(biāo)準(zhǔn)IEC61643-1 規(guī)定SPD對(duì)于HSI的耐受能力的試驗(yàn)要求，具體如下：

　　HSI的耐受能力的要求為滿(mǎn)足3組，每組5次脈沖電流的檢驗(yàn)?zāi)芰σ?。脈沖的波形和峰值分別為：Ⅰ類(lèi)試驗(yàn)SPD為8/20μs電流脈沖，峰值Iimp;Ⅱ類(lèi)試驗(yàn)SPD為8/20μs電流脈沖，峰值IN;Ⅲ類(lèi)試驗(yàn)SPD為組合波。脈沖電流應(yīng)疊加在SPD的最大連續(xù)工作電壓UC 上。在此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目中，對(duì)于保證SPD的可靠性極為重要，但是測(cè)試項(xiàng)并不充分。主要因?yàn)?/20μs電流脈沖和組合波都是窄波脈沖，與SPD耐受寬波脈沖的能力不盡相同。

　　低壓配電系統(tǒng)用SPD中的非性元件，絕大多數(shù)是壓敏電阻器。目前共性認(rèn)識(shí)為：只要壓敏電阻器承受的脈沖電流不超過(guò)其允許的最大放電電流Imax，壓敏電阻器就不會(huì)損壞，但以實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)并不支持該觀(guān)點(diǎn)。壓敏電阻型 SPD在并未受到大于最大額定值的強(qiáng)沖擊電流作用的情況下也存在損壞的可能，而且有大量的數(shù)據(jù)證實(shí)這觀(guān)點(diǎn)。本文以理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)和使用結(jié)果分析說(shuō)明，致使壓敏電阻型SPD在不是很大的脈沖電流情況下失效的主要原因是壓敏電阻型SPD的LLI自身耐受能力不足。因此，在SPD技術(shù)規(guī)范中增加對(duì)LLI的試驗(yàn)項(xiàng)目是十分必要的，本文提出對(duì)LLI的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)方法。

1 低壓配電系統(tǒng)中的脈沖過(guò)電壓和壓敏電阻器的“安-秒”資源

　　低壓配電系統(tǒng)中的脈沖過(guò)電壓主要為：雷電效應(yīng)和配電系統(tǒng)及用電設(shè)備的操作。對(duì)于這兩類(lèi)脈沖過(guò)電壓的形成機(jī)理、特性、參數(shù)以及它們所產(chǎn)生的效應(yīng)，現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范及資料都較為充分。這里指出以下幾點(diǎn)：

　　低壓配電系統(tǒng)中脈沖的持續(xù)時(shí)間(亦名為“脈沖寬度”)，大體從微秒級(jí)到秒級(jí)，即跨越約6個(gè)數(shù)量級(jí)。從壓敏電阻器的角度來(lái)看，通常把寬度小于50μs的脈沖稱(chēng)為“窄波脈沖”，把寬度大于100μs的脈沖稱(chēng)為“寬波脈沖”。在討論脈沖電流對(duì)SPD的作用時(shí)，主要關(guān)心電流峰值范圍從毫安培級(jí)到千安培級(jí)。不同寬度和不同峰值的脈沖對(duì)壓敏電阻器的作用效應(yīng)截然不同，一般情況主要把作用于壓敏電阻器的脈沖區(qū)分為“高峰值窄波脈沖”和“低峰值寬波脈沖”。

　　但是，在低壓配電系統(tǒng)中常被忽視的一個(gè)因素：在一個(gè)周期內(nèi)(一周、一月或一年)系統(tǒng)中出現(xiàn)的LLI“安-秒”值(電荷量)遠(yuǎn)大于HSI的安-秒值。在雷電放電中，同時(shí)存在HSI電流和LLI電流，且LLI電流的持續(xù)時(shí)間主要在 2ms～1s 間。雖然LLI電流的峰值很小，但是持續(xù)時(shí)間相對(duì)于窄波脈沖而言較長(zhǎng)。此外，低壓配電系統(tǒng)中操作過(guò)電壓的出現(xiàn)頻度非常高。舉實(shí)例來(lái)說(shuō)明：在一個(gè)有16家住戶(hù)的樓房的配電入口處測(cè)得的峰值約500V，過(guò)電壓約1100次/年;峰值約2000V，過(guò)電壓約20次/年。假定兩者的脈沖寬度相同，則短路電流安秒值中前者是后者的13.7倍。

　　作用在壓敏電阻器上的脈沖的安/秒值，對(duì)研究壓敏電阻器的脈沖壽命極為重要。以工頻電流峰值0.8～600A和脈沖電流4kA～35kA，對(duì)三個(gè)廠(chǎng)生產(chǎn)的高度23～24mm，直徑 62～64mm的ZnO壓敏電阻片進(jìn)行試驗(yàn)，每種電流試驗(yàn)直到樣品損壞為止，得到平均破壞時(shí)間(t)與電流峰值(I)有下面的關(guān)系：

I·t=C (1)

式中 C是個(gè)常數(shù)。這個(gè)式子表明，壓敏電阻器失效前的平均安秒值是個(gè)常數(shù)，是壓敏電阻器工作壽命的極為重要因子。

2 壓敏電阻器的窄波脈沖耐受能力與寬波脈沖耐受能力之間無(wú)等效性

　　元器件存在著多種類(lèi)型的內(nèi)部缺陷。在不同峰值、不同持續(xù)時(shí)間的脈沖應(yīng)力作用下，元器件所表現(xiàn)的失效結(jié)果不盡相同。有的失效結(jié)果是在HSI下才發(fā)生，在LLI下沒(méi)出現(xiàn)失效，而部分失效則相反。以上兩種情況證明：窄波脈沖耐受能力與寬波脈沖耐受能力之間不存在“等效性”。下面列舉多個(gè)與壓敏電阻器失效現(xiàn)象進(jìn)行說(shuō)明。

　　例1：8/20μs脈沖電流的“軟破壞特性”和2ms脈沖電流的“硬破壞特性”。

　　目前，雷電學(xué)術(shù)界都已形成了共性認(rèn)知：若分別以一定峰值的8/20μs脈沖和2ms方波脈沖對(duì)壓敏電阻器多次沖擊試驗(yàn)，每次沖擊冷卻后測(cè)量樣品壓敏電壓(UN)，作出UN的相對(duì)變化 (δUN) 隨沖擊次數(shù)(n)的變化規(guī)曲線(xiàn)，則8/20μs電流時(shí)表現(xiàn)為“軟特性”，2ms方波電流時(shí)表現(xiàn)為“硬特性”(見(jiàn)圖1)。所謂軟特性，是指δUN隨n的增大逐步下降，且當(dāng)壓敏電壓的下降量(δUN )超過(guò)(-10%)后，隨著沖擊次數(shù)(n)的進(jìn)一步增大，樣品很容易就損壞。硬特性是指壓敏電阻器在失效前難以辨別出異常。當(dāng)沖擊到一定次數(shù)后其將突然失效。這兩種不同的特性反映了8/20μs脈沖和2ms方波脈沖對(duì)MOV的幾率不一致。

　　例2：電極片和陶瓷體膨脹系數(shù)不匹配。

　　以銅片作為引出片的壓敏電阻器，在進(jìn)行脈沖電流壽命試驗(yàn)中，破壞的形式主要是陶瓷體沿著銅電極的邊沿開(kāi)裂，這是主要是因?yàn)殡姌O片和陶瓷體膨脹系數(shù)不匹配造成的。銅的線(xiàn)脹系數(shù)為16.7×10-6/K，而陶瓷體的線(xiàn)脹系數(shù)為3×10-6/K，兩者相差超5倍。在脈沖電流壽命試驗(yàn)中，銅電極和陶瓷體需要經(jīng)“熱-冷”的循環(huán)，陶瓷體遭受銅電極對(duì)它的作用力，最后因機(jī)械疲勞而開(kāi)裂。

　　例3：寬脈沖作用時(shí)的電流集中破壞。

　　電流集中是指在寬波脈沖或連續(xù)電流作用期間，壓敏電阻器中的電流向陶瓷體的薄弱部位集中的過(guò)程。因?yàn)樘沾审w無(wú)法做到理想的均勻體，它各部分的電流密度是不同的。在單位時(shí)間內(nèi)由電流所產(chǎn)生的熱量大于散失的熱量，電流密度最大部位的溫度就會(huì)進(jìn)一步升高，而壓敏電阻器陶瓷體的電流溫度系數(shù)為正值，較高的溫度使得該部位的電流進(jìn)一步上升，這種正反饋過(guò)程最后導(dǎo)致這個(gè)部位擊穿。電流集中過(guò)程是個(gè)熱學(xué)過(guò)程，需要一定的時(shí)間，只有在寬波脈沖電流時(shí)才會(huì)發(fā)生，電流持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，電流集中越明顯，8/20μs的窄波脈沖電流作用期間，不可能出現(xiàn)電流集中效應(yīng)。以圖2的熱像圖說(shuō)明脈沖寬度影響到電流集中的程度。

　　圖2(a)，圖2(b)分別表示同一個(gè)壓敏電阻器樣品在8/20-40.8kA(U_N=513.6V 8/20μs-40.8kA/1700V，83～88℃)脈沖和10/350-2.76kA(U_N=513.6V，10/350-2.76kA/920V，82～87℃ )脈沖的表面熱圖像。圖中的黑色區(qū)域是經(jīng)圖像處理軟件處理后的“高溫區(qū)”(在這里，將溫度在Tm～(Tm-5)的區(qū)域稱(chēng)為高溫區(qū)，Tm 指最熱點(diǎn)的溫度)。這兩個(gè)圖說(shuō)明：1)該樣品在8/20-40.8kA與10/350-2.76kA兩個(gè)脈沖電流下所吸收的能量大體相等，因而Tm大體相等，前者為88℃，后者為87℃(注意：兩個(gè)電流的峰值之比為14.8);2)窄波電流高溫區(qū)的面積明顯比寬波脈沖的大。大量的測(cè)試結(jié)果證明，這是個(gè)普遍現(xiàn)象。證明了在寬波脈沖作用期間，電流逐步向電阻片的薄弱部位(低阻抗部位)集中，而且，電流作用時(shí)間越長(zhǎng)，電流集中越嚴(yán)重，最熱點(diǎn)溫度越高，高溫區(qū)面積越小。圖2(c)表示了另外一只壓敏電阻器裸片施加工頻電壓3s鐘后的熱像圖(圖中A、B兩點(diǎn)是測(cè)試夾具的接觸部位，U_N=642.8V，50Hz，_Up=740V，I_p=2.04A， 3s，110～126℃ )。它的高溫區(qū)面積更小。

　　通過(guò)例子可說(shuō)明壓敏電阻器在脈沖電流下失效的形式，在實(shí)際生產(chǎn)和試驗(yàn)中仍有有其他形式。由此可見(jiàn)，壓敏電阻器在脈沖電流下的失效的影響影子很多，寬脈沖失效與窄脈沖失效之間是不存在確定的數(shù)學(xué)模型關(guān)系。在2006年，美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)召開(kāi)了一次關(guān)于8/20μs電流波與10/350μs電流波的專(zhuān)題討論會(huì)中，部分專(zhuān)家試圖找到SPD耐受這兩種脈沖之間的等效關(guān)系，但最后的結(jié)論是不存在等效關(guān)系。

3 壓敏電阻器的特性

　　對(duì)于同一型號(hào)但不同規(guī)格的兩種壓敏電阻器來(lái)說(shuō)，窄波脈沖耐受能力高的壓敏電阻器，其寬波脈沖耐受能力也高，但不同型號(hào)的壓敏電阻器就存在一定的差異。

　　近幾年來(lái)開(kāi)發(fā)了一種新型的主要用于Ⅰ類(lèi)試驗(yàn)SPD的壓敏電阻器，它的10/350μs脈沖電流耐受能力，大體是常規(guī)產(chǎn)品的1.5～2倍，但窄波脈沖耐受能力和電壓限制性能比常規(guī)產(chǎn)品差。在一定程度上說(shuō)明了μs的窄波脈沖耐受能力與寬波脈沖耐受能力是兩項(xiàng)獨(dú)立的性能。

4 試驗(yàn)的建議

　　IEC61643-1中已規(guī)定SPD對(duì)于窄波脈沖(8/20μs或組合波)的耐受能力的試驗(yàn)，但是沒(méi)有考慮對(duì)寬波脈沖的耐受能力的試驗(yàn)。因此為保證試驗(yàn)的全面性和可操作性，建議提出增加該項(xiàng)試驗(yàn)要求。

　　現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)寬波脈沖耐受能力的試驗(yàn)波形，目前主要有2ms方波電流、10/1000或10/350等指數(shù)波電流?？紤]到2ms方波電流已在電力防雷中應(yīng)用了幾十年，大部分的生產(chǎn)、試驗(yàn)和研究機(jī)構(gòu)都沿用2ms方波電流發(fā)生器。由此，可根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)要求，以2ms方波電流作為SPD寬波脈沖耐受能力的試驗(yàn)波形，相應(yīng)的試驗(yàn)方法如下：

　　(1)Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)試驗(yàn)SPD的寬波脈沖耐受能力的試驗(yàn)要求：應(yīng)以試驗(yàn)電流為2ms方波試驗(yàn)電流，按IEC61643-1 第8.3.4.3 “Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)”的規(guī)定執(zhí)行。

　　(2)2ms方波試驗(yàn)電流的優(yōu)先值為500A、400A、300A、200A、100A。

5 結(jié)論

　　低壓配電系統(tǒng)中SPD的失效，主要不是因SPD遭受超過(guò)其最大放電電流的一次或幾次強(qiáng)脈沖的破壞，最主要的是因?yàn)橄到y(tǒng)中出現(xiàn)頻度很高的操作過(guò)電壓(尤其是低峰值的寬波脈沖)耗損SPD的“安-秒”資源。在耗盡該資源后，一旦雷電脈沖侵入時(shí)，其損壞率極高。因此，建議保證SPD的寬波脈沖能力頗為重要。

　　SPD的SHI與LLI耐受能力之間不存在“等效性”關(guān)系，所以現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中僅對(duì)低壓配電系統(tǒng)用SPD規(guī)定8/20電流耐受能力試驗(yàn)是不充分的，有待進(jìn)一步修訂。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]楊天琦,王振會(huì),朱傳林,等.MOV型SPD在交直流電壓下的熱量累積對(duì)比分析[J].電瓷避雷器,2011(5):81-84.

　　[2]楊大晟,張小青,許楊.低壓供電系統(tǒng)中SPD的失效模式及失效原因[J].電瓷避雷器,2007(4):43-46.

　　[3]Kazou Eda.Destruction mechanism of ZnO varistors due to high current[J].Journal of Applied Physics,1984,56(10):2948-2955.

　　[4]KG Ringler, P Kirkby, CC Erven,et.The energy absorption capability and time-to-failure of varistors used in station –class metal-oxide surge arresters[J].IEEE Transaction on Power Delivery,1997,12(1):203-212.

　　[5] IEEE Guide on the Surge Environment in Low-Voltage (1000V and Less) AC Power Circuit[S].IEEEC62.41.1,2002.

　　[6]Draft Meeting Minutes for the IEEE SPDC 10/350 Forum[R].Atlanta GA,2006.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第11期第65頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處