對SPD的寬波脈沖電流耐受能力的分析及試驗建議　

作者 譚勝淋 康國耀 深圳遠征技術(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，雷電防護技術(shù)和標準。

摘要：本文主要研究分析了SPD的寬波脈沖電流耐受能力，系統地分析了低壓配電系統中的雷電過(guò)電壓過(guò)電流、配電系統相互干擾和用電設備的兼容性、誤操作及故障等影響因子，并通過(guò)列舉多項試驗結果和理論分析說(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，對規定SPD的寬波脈沖電流耐受能力的試驗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、浪涌保護器、電涌保護器、過(guò)電壓保護器等，主要用于保護用電設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，保護其他電子/電氣裝置的同時(shí)，自身必須能耐受設計范圍內的脈沖應力對它的破壞作用。以性能要求來(lái)區分，則SPD上的脈沖應力可分為兩類(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(cháng)LI)。

　　低壓配電系統中因雷電過(guò)電壓過(guò)電流、配電系統相互干擾和用電設備的不兼容性、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。低壓配電系統中的SPD，在實(shí)際運行中失效甚至產(chǎn)生安全隱患的主要原因為以下三種：

　　(1)SPD遭受超過(guò)其最大額定值的多次強脈沖的破壞作用;

　　(2)配電系統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，它出現的概率最高。因為低壓配電系統中超過(guò)SPD最大額定值的強脈沖的出現概率極低。因此，原因(1)損壞的可能性很小;對于出廠(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。但現行的低壓配電系統用SPD技術(shù)標準IEC61643-1，暫未提出這一性能指標和試驗方法。

　　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)作負載試驗，表征SPD的寬波脈沖耐受能力。本文列舉的多項試驗結果和理論分析都說(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，規定SPD的寬波脈沖電流耐受能力的試驗要求和方法的必要性。

　　現行的低壓配電系統用SPD技術(shù)標準中，國際電工委標準IEC61643-1 規定SPD對于HSI的耐受能力的試驗要求，具體如下：

　　HSI的耐受能力的要求為滿(mǎn)足3組，每組5次脈沖電流的檢驗能力要求。脈沖的波形和峰值分別為：Ⅰ類(lèi)試驗SPD為8/20μs電流脈沖，峰值Iimp;Ⅱ類(lèi)試驗SPD為8/20μs電流脈沖，峰值IN;Ⅲ類(lèi)試驗SPD為組合波。脈沖電流應疊加在SPD的最大連續工作電壓UC 上。在此標準規定的試驗項目中，對于保證SPD的可靠性極為重要，但是測試項并不充分。主要因為8/20μs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。

　　低壓配電系統用SPD中的非性元件，絕大多數是壓敏電阻器。目前共性認識為：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，而且有大量的數據證實(shí)這觀(guān)點(diǎn)。本文以理論結合實(shí)驗和使用結果分析說(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)規范中增加對LLI的試驗項目是十分必要的，本文提出對LLI的試驗項目和試驗方法。

1 低壓配電系統中的脈沖過(guò)電壓和壓敏電阻器的“安-秒”資源

　　低壓配電系統中的脈沖過(guò)電壓主要為：雷電效應和配電系統及用電設備的操作。對于這兩類(lèi)脈沖過(guò)電壓的形成機理、特性、參數以及它們所產(chǎn)生的效應，現行技術(shù)規范及資料都較為充分。這里指出以下幾點(diǎn)：

　　低壓配電系統中脈沖的持續時(shí)間(亦名為“脈沖寬度”)，大體從微秒級到秒級，即跨越約6個(gè)數量級。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SPD的作用時(shí)，主要關(guān)心電流峰值范圍從毫安培級到千安培級。不同寬度和不同峰值的脈沖對壓敏電阻器的作用效應截然不同，一般情況主要把作用于壓敏電阻器的脈沖區分為“高峰值窄波脈沖”和“低峰值寬波脈沖”。

　　但是，在低壓配電系統中常被忽視的一個(gè)因素：在一個(gè)周期內(一周、一月或一年)系統中出現的LLI“安-秒”值(電荷量)遠大于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電流的持續時(shí)間主要在 2ms～1s 間。雖然LLI電流的峰值很小，但是持續時(shí)間相對于窄波脈沖而言較長(cháng)。此外，低壓配電系統中操作過(guò)電壓的出現頻度非常高。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，每種電流試驗直到樣品損壞為止，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。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，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(zhù)多種類(lèi)型的內部缺陷。在不同峰值、不同持續時(shí)間的脈沖應力作用下，元器件所表現的失效結果不盡相同。有的失效結果是在HSI下才發(fā)生，在LLI下沒(méi)出現失效，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知：若分別以一定峰值的8/20μs脈沖和2ms方波脈沖對壓敏電阻器多次沖擊試驗，每次沖擊冷卻后測量樣品壓敏電壓(UN)，作出UN的相對變化 (δUN) 隨沖擊次數(n)的變化規曲線(xiàn)，則8/20μs電流時(shí)表現為“軟特性”，2ms方波電流時(shí)表現為“硬特性”(見(jiàn)圖1)。所謂軟特性，是指δUN隨n的增大逐步下降，且當壓敏電壓的下降量(δUN )超過(guò)(-10%)后，隨著(zhù)沖擊次數(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。當沖擊到一定次數后其將突然失效。這兩種不同的特性反映了8/20μs脈沖和2ms方波脈沖對MOV的幾率不一致。

　　例2：電極片和陶瓷體膨脹系數不匹配。

　　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中，破壞的形式主要是陶瓷體沿著(zhù)銅電極的邊沿開(kāi)裂，這是主要是因為電極片和陶瓷體膨脹系數不匹配造成的。銅的線(xiàn)脹系數為16.7×10-6/K，而陶瓷體的線(xiàn)脹系數為3×10-6/K，兩者相差超5倍。在脈沖電流壽命試驗中，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它的作用力，最后因機械疲勞而開(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。因為陶瓷體無(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，電流持續時(shí)間越長(cháng)，電流集中越明顯，8/20μs的窄波脈沖電流作用期間，不可能出現電流集中效應。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。圖中的黑色區域是經(jīng)圖像處理軟件處理后的“高溫區”(在這里，將溫度在Tm～(Tm-5)的區域稱(chēng)為高溫區，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)窄波電流高溫區的面積明顯比寬波脈沖的大。大量的測試結果證明，這是個(gè)普遍現象。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(cháng)，電流集中越嚴重，最熱點(diǎn)溫度越高，高溫區面積越小。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學(xué)模型關(guān)系。在2006年，美國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，但最后的結論是不存在等效關(guān)系。

3 壓敏電阻器的特性

　　對于同一型號但不同規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SPD的壓敏電阻器，它的10/350μs脈沖電流耐受能力，大體是常規產(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獨立的性能。

4 試驗的建議

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

　　現行的標準中，對寬波脈沖耐受能力的試驗波形，目前主要有2ms方波電流、10/1000或10/350等指數波電流?？紤]到2ms方波電流已在電力防雷中應用了幾十年，大部分的生產(chǎn)、試驗和研究機構都沿用2ms方波電流發(fā)生器。由此，可根據實(shí)際試驗要求，以2ms方波電流作為SPD寬波脈沖耐受能力的試驗波形，相應的試驗方法如下：

　　(1)Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)試驗SPD的寬波脈沖耐受能力的試驗要求：應以試驗電流為2ms方波試驗電流，按IEC61643-1 第8.3.4.3 “Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)動(dòng)作負載試驗”的規定執行。

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

5 結論

　　低壓配電系統中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脈沖的破壞，最主要的是因為系統中出現頻度很高的操作過(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，所以現行標準中僅對低壓配電系統用SPD規定8/20電流耐受能力試驗是不充分的，有待進(jìn)一步修訂。

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　　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