1.1 壓敏型SPD的工作特性

      電涌保護器，簡稱SPD。并聯(lián)在電路上使用，其一端連接至電源線上，另一端連接至大地，用泄放電涌電流。其主要有兩種狀態(tài)。

    （1）正常高阻狀態(tài)：電涌保護器在常規(guī)或在額定電壓下呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，其阻值為兆歐級，在線路中相當(dāng)于開路狀態(tài)。

    （2）低阻泄放狀態(tài)：當(dāng)電涌或雷擊瞬態(tài)過電壓發(fā)生時SPD呈低阻狀態(tài)，起泄放電涌電流和限制瞬態(tài)過電壓的作用。當(dāng)電涌過電壓或雷擊浪涌過后，電涌保護器立即會恢復(fù)至正常高阻狀態(tài)。

1.2 壓敏型SPD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點

      電涌保護器主要以氧化鋅為原料的應(yīng)用最為廣泛。國內(nèi)外的防雷企業(yè)、專家、學(xué)者等經(jīng)過多年對SPD的劣化研究發(fā)現(xiàn)：在SPD經(jīng)多次電涌沖擊后，內(nèi)部元件會逐漸老化。并通過試驗?zāi)MSPD劣化的過程，實驗過程中MOV內(nèi)部晶粒有裂變?nèi)诤希瑝好舻碾姎庑阅艹掷m(xù)下降。

1.3 潛在失效的原因分析

      因電涌保護器是一種保護性元件，產(chǎn)品在電網(wǎng)中將是長期帶電狀態(tài)，因此將會承受各種過電壓、過電流的侵襲而導(dǎo)致產(chǎn)品失效，其中尤其突出的有小的工頻電流和大的雷擊電流的侵襲。

1.3.1小的工頻電流導(dǎo)致的失效

      電涌保護器是電壓敏感元件，當(dāng)電壓超過一定的閾值時，就會產(chǎn)生一定的電流。而電網(wǎng)是復(fù)雜的綜合網(wǎng)絡(luò)，能產(chǎn)生多種過電壓現(xiàn)象。例如斷路器、開關(guān)等頻繁斷開或閉合時的操作過電壓；電磁閥、保護開關(guān)、變頻器、軟啟動器等頻繁啟動產(chǎn)生過電壓；電路中存在電感、電容等器件的耦合作用產(chǎn)生的過電壓等；這些過電壓綜合作用將可能導(dǎo)致SPD失效。

1.3.2雷擊電流導(dǎo)致的失效

      當(dāng)有雷電發(fā)生時，若在SPD承受范圍內(nèi)的雷電流，電涌能被SPD安全泄放，而不會損壞；但是若雷電頻繁或雷擊能量特別大時，SPD無法承受在電涌泄放的過程中產(chǎn)生的大量的熱，就容易出現(xiàn)了產(chǎn)品脫扣或損壞，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致爆炸。

1.4 模擬失效后果

      氧化鋅壓敏電阻MOV電氣參數(shù)劣化首先表現(xiàn)是UC值降低；當(dāng)UC值低于電源電壓時，漏電流就會急劇增大，溫升加劇。如異常電流大于5A數(shù)秒以上時，會引發(fā)雪崩式短路，瞬間產(chǎn)生的熱量的聚集過程快于散熱傳遞速度，達到壓敏電阻熱崩潰點，造成熔潰故障，甚至引發(fā)燃爆火災(zāi)事故。如圖1所示為實驗室測試燃爆實驗圖片。

圖1 實驗室重現(xiàn)燃爆的試驗照片

      防雷設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)明確推薦應(yīng)用SPD后備保護：IEC 61643-12、IEC60034-5-534以及GB-50057-2010版等防雷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中推薦應(yīng)用過電流保護器（如熔斷器和斷路器）和SPD串聯(lián)使用作為SPD發(fā)生劣化短路失效時的后備過電流保護裝置。

      目前SPD后備保護基本方法有如圖2所示：

2.1 熔斷器式的后備保護裝置

      熔斷器的配置是按防雷器在8/20us波形下最大單次沖擊計算配置額定值，以實現(xiàn)對SPD的短路失效進行保護。在標(biāo)準(zhǔn)IEC61643-12，表P.1給出了熔斷器耐受沖擊能力的一些規(guī)格、尺寸的試驗測試數(shù)據(jù)。基于簡化公式的峰值電流典型值和實際測試值對比如表 1 所示。

      熔斷器過流保護特點是結(jié)構(gòu)簡單，附加殘壓相對于MCB較低，分?jǐn)嗄芰^高。但常規(guī)熔斷器后備保護有SPD過流保護盲區(qū)，尤其是在電路存在工頻小電流時，無法及時斷開電路。而且體積較大，不易實現(xiàn)故障遙信功能。

2.2 斷路器式的后備保護裝置

      斷路器過流保護由于運用了電磁脫扣和滅弧裝置，其電涌耐受能力相對較高。斷路器式的后備保護裝置選型可參考如表2所示。

      由于MCB、MCCB均包含電磁脫扣器件，在雷電流通過時殘壓較高，降低了SPD的電壓保護水平。同樣MCB的配置方式也只是按SPD最大通流量來設(shè)計，以防止雷擊時誤脫扣。以上應(yīng)用，依然無法兼顧大的雷電電流和MOV劣化時的工頻故障小電流。

      還有MCB的分?jǐn)嗄芰σ泊嬖谝欢ǖ木窒扌裕词筂CB的分?jǐn)嗄芰δ苓_到15kA，但對于T1、T2級SPD安裝位置的預(yù)期短路電流而言，依然有無法安全分?jǐn)嗟娘L(fēng)險。

      因此，常規(guī)的MCB、FUSE的后備保護裝置存在一定的保護盲區(qū)。

      標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定雷擊電流是波前時間為8μs、半峰值時間為20μs的沖擊電流，得到雷擊電流近似頻率為50 kHz。而工頻電流頻率為50 Hz，對應(yīng)時間周期為20μs。兩者之間頻率相差1000倍。

      利用雷電流與工頻續(xù)流的幅頻特性不同，設(shè)計了兩個通路，使有差異的兩種電流通過不同通路。根據(jù)其在電路傳輸產(chǎn)生的感抗為，其感抗也相差 1 000 倍。而且感抗不僅與頻率成正比，同時也與電感的感值成正比。

3．1 小電流通道設(shè)計方案

      根據(jù)實驗室測定，當(dāng)壓敏電阻的工頻電流大于 5 A 數(shù)秒以上時，在幾秒內(nèi)可能引起壓敏電阻燃爆。因此可以在小電流通道上設(shè)計熱雙金屬片裝置。熱雙金屬片是由兩個( 或多個) 具有不同熱膨脹系數(shù)的金屬或合金組元層復(fù)合在一起的材料。當(dāng)電流通過此裝置時，熱雙金屬片彎曲，當(dāng)達到一定行程時使之切斷電源，以達到脫離電網(wǎng)的目的。熱雙金屬片動作示意圖如圖 3 所示。

3.2 雷擊電流設(shè)計方案

      設(shè)計的目標(biāo)為當(dāng)浪涌雷擊最大的電流Imax通過SPD與之配合的專用后備保護裝置時，專用后備保裝置不應(yīng)誤脫扣，使電氣設(shè)備防雷始終處于有效狀態(tài)。

具體設(shè)計方法是在電源的輸入端子依次連接放電型開關(guān)管、輸出端子。設(shè)計指標(biāo)可根據(jù)不同的雷擊電流可分為Type II類型的20kA、40kA、60kA、80kA、100kA、120kA，以及Type I類型的25kA等規(guī)格型號，可以與不同規(guī)格的電涌保護器相匹配。雷擊電流通道實施示意如圖 5 所示。

3.3 預(yù)期短路分?jǐn)嗄芰υO(shè)計方案

      SPD的應(yīng)用場合可以在各種類型，包括LPZ0、LPZ1、LPZ2等區(qū)域，與之對應(yīng)的電網(wǎng)位置也有相應(yīng)的預(yù)期短路分?jǐn)嚯娏鳌PD的專用后備保護裝置的設(shè)計也應(yīng)滿足與之對應(yīng)的預(yù)期短路分?jǐn)嗄芰Α３醪皆O(shè)計目標(biāo)為預(yù)期短路分?jǐn)嗄芰?00kA。

      具體的設(shè)計方法是利用小型斷路器的電磁脫扣器原理，當(dāng)電流通過繞成環(huán)形的線圈時，就會產(chǎn)生電磁力，用以驅(qū)動斷開電路。如圖9所示，它由環(huán)形線圈、動鐵芯、靜鐵芯、彈簧、脫扣桿等部件組成。在小型斷路器的短路分?jǐn)鄬嶒灂r，電流使環(huán)形線圈產(chǎn)生磁場，動、靜鐵芯在磁場力作用下快速吸合，脫扣桿在動鐵芯的帶動下撞擊動觸頭機構(gòu)，機構(gòu)失去穩(wěn)定狀態(tài)，最終使動、靜觸頭分開。短路分?jǐn)鄬嶒灁?shù)據(jù)如圖7所示。

      在充分分析SPD的失效機理后，分別針對不同失效電流提出具有針對性的解決方案。但是如何將這兩種方案有機的整合成一個合格的產(chǎn)品是非常大的難題。本設(shè)計是利用雷擊大電流（8/20us）與工頻小電流的幅頻特性不同（20ms），設(shè)計了三層的外殼結(jié)構(gòu)，形成兩條通路。用第一層與第二層相互配合，實現(xiàn)工頻小電流的通道，讓工頻小電流經(jīng)過此小電流通路，用以鑒別、判斷、分?jǐn)嚯娐返裙δ埽挥玫诙优c第三層互相配合，實現(xiàn)雷擊大電流通道，讓雷電流經(jīng)過此通路，用以滿足不同等級的雷電流泄放能力的要求。此通路在正常狀態(tài)下是開路狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)雷擊時，通過引導(dǎo)電路讓此通路導(dǎo)通，從而泄放掉雷電流。SPD專用后備保護裝置示意如圖8所示。

      SPD專用后備保護裝置的應(yīng)用是串聯(lián)在SPD的回路上，與其配合接入電網(wǎng)使用，作為SPD的過電流的專用保護裝置。其設(shè)定的工頻小電流技術(shù)指標(biāo)為3A，雷擊大電流可根據(jù)不同的等級可選擇不同的配置。

      SPD 常規(guī)后備保護裝置無法兼顧大的雷擊電流和小的工頻電流，當(dāng)電源系統(tǒng)故障、SPD 過流短路、工頻電流通過時，其電流值有可能達不到過流保護裝置的啟動值，過流保護裝置不動作，導(dǎo)致工頻電流持續(xù)通過，防雷元件發(fā)熱，SPD起火。若過流保護裝置的啟動值較小，雖能啟動，但難以抗擊雷電流的沖擊，導(dǎo)致 SPD 無法正常泄放雷電流。采用鑒流技術(shù)，將兩種電流區(qū)別對待，將其引導(dǎo)至不同的通道，針對性地分別處理。試驗數(shù)據(jù)表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)有效鑒別、判斷、分?jǐn)嗟裙δ堋４送猓瑑煞N通路有機整合，應(yīng)用到產(chǎn)品中。此外，本文又將兩種通路有機整合到一個產(chǎn)品中，實現(xiàn)了由理論到實踐的過程。

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