模块化限压型电涌保护器SPD安全性能分析

范文增

机械工业第九设计研究院有限公司，吉林长春 130011

0 引言

电涌保护器SPD（Surge Protective Device简称SPD）是一种用于带电系统中限制瞬态过电压和导引泄放电涌电流的非线性防护器件，用以保护电气或电子系统免遭雷电或操作过电压及涌流的损害。按使用元件的特性主要分为电压开关型SPD、限压型SPD和混合型SPD。

在低压配电系统中，由于限压型SPD具有通流容量大、响应速度快、无工频续流、能任意组合等优良特点，在众多的防雷组件中制造量最大，应用面最广。由于SPD是一种电气、电子设备安全防护类产品，合理的使用SPD，能有效防止雷电电磁脉冲引起的过电压对电气、电子设备带来的危害，因此它自身的可靠性、安全性尤为重要。

随着限压型SPD应用越来越广，数量越来越多，问题也就随之而来。问题集中表现在两个方面：一是因工频严重过压导致阀片击穿引起的短路起火；二是因元件老化后漏电流增大而脱扣器性能不佳引起的自燃。以下就脱扣器及后备保护两方面来分析有关SPD安全性问题。

1 模块化SPD脱扣器与安全性能

由于模块化SPD有着与微型断路器相同的外形尺寸和安装方式，使其在市场中保有量最大，因其结构上的原因，着火事故时有发生。为了解决这一问题，生产厂商推出了各种类型的SPD内部脱扣装置（以下简称脱扣器）用以减少这类事故的发生，但效果仍不尽人意。无论何种类型的脱扣器最终都是试图通过基片一侧铜电极的热传导使低温焊锡熔化脱扣。按脱扣器所处位置区分不同类型的脱扣器一般有两种：一是在铜电极中央，另一种在边缘；按脱扣器有无外力加速脱扣区分也有两种：一种是金属弹片型，另一种是外加弹簧型。

无论何种结构均解决不了脱扣器的先天性病端，脱扣器的开断故障电流能力。众所周知短路电流的大小由电源短路容量和线路阻抗决定（在这里主要由电源容量决定），电磁继电器接点的额定容量在AC250V时只有5A，SPD脱扣器的故障电流开断容量要大于5A是困难的，市场上没有任何一个厂商标明SPD脱扣器故障电流开断能力的参数，当然现行的国家标准也无该项检测。国家标准GB18802.1-2002（IEC61643-1） 《低压配电系统的电涌保护器（SPD）第1部分：性能要求和试验方法》第3章第3.29条SPD脱离器定义中的注释是这样描述的“这种断开装置不需要具有隔离能力，它防止系统持续故障并可用来给出SPD故障的指示”。也就是说SPD在遇到工频过电压引起基片击穿短路时，任何脱扣器都没有能力开断故障电流。

同时基于低温焊锡的脱扣器还有一个动作时间问题，当基片出现短路故障时，脱扣器需要有一个加热熔化的过程，只有温度达到或超过焊锡的熔点才能脱扣。为什么国家标准还要规定SPD必须要带有脱扣器呢？这是因为性能合格的脱扣器能有效解决基片老化缓慢发热而引起的SPD元件失效问题。

国外有在模块化SPD中安装具有耐冲击电流能力强，而出现工频短路时有一定开断能力的熔丝产品，但这种熔丝因价格昂贵，故在国内产品中没有被采用。

2 SPD的后备保护与安全性能

为了有效的解决因基片性能退化或失效后可能产生的工频短路故障对系统运行的影响，一般在工程设计时均在SPD与电源之间装设过流保护电器（熔断器或断路器）作为后备保护。国家标准GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》在其附录J.1用于电气系统的电涌保护器的接线图（图J.1.2-1～图J.1.2-5）中均在SPD前装设了后备保护。后备保护即要满足工频短路时与主电路过流保护装置的级间配合及分断能力要求，又不应在规定的雷电冲击放电电流下断开。

当SPD出现故障引起电源短路时，装设在SPD前的断路器或熔断器无疑能起到将SPD与电源可靠分离的作用。应该指出断路器或熔断器是为保护低压电气设备和线路设计的，兼有过热分（熔）断和过流速断的特性，其用作SPD的后备保护时只有过流速断特性起作用，不能从根本上解决SPD起火的问题，同时还带来如下问题。

2.1 后备保护与SPD配合问题

后备保护与SPD配合后，应在额定电涌电流作用时，后备保护元件不动作，保证电涌电流的正常泄放。业内人士对熔断器和断路器做过抗电涌冲击试验，结果令人不满意。额定电流63A的熔断器耐电涌冲击电流的水平对于8/20μs波形大约为25kA、对于10/350μs波形大约为5.5kA；额定电流63A的断路器耐电涌冲击电流的水平对于8/20μs波形大约为25kA。而我们使用SPD通流容量越来越大，最大达到120kA（2/20μs波形），显然用熔断器或断路器作为SPD的后备保护存在耐冲击电流的配合问题。可喜的是断路器或熔断器的动作时间与SPD的动作时间相差一个数量级，前者约为1ms，而SPD约为25ns或更小。这样使得发生首次电涌时SPD能起到限压作用，对于后续电涌因后备保护将其断开而不起作用，若未能将后备保护及时恢复SPD将失去作用直至后备保护恢复为止，这点应引起相关人员的重视。

2.2 后备保护增加保护回路的残压

装设后备保护后无疑会增加SPD保护回路的残压，业内人士通过测试表明断路器或熔断器将增加残压10%～25%，因此我们在设计安装SPD后备保护时必须考虑这个问题。

2.3 后备保护与主电路过流保护装置配合问题

SPD前端装设后备保护在一定条件下能起到作用，但其与主电路过流保护装置的脱扣（熔断）电流的配合问题不容忽视。笔者认为良好的配合应该是在SPD失效时能迅速将SPD与电源隔离，同时保证主电路过流保护装置不动作，保证供电的连续性，以满足电源回路保护选择性的要求。对交流电源型SPD的后备保护来说，当采用断路器时应采用具有C型脱扣曲线的延时型断路器，其额定电流应根据SPD的最大放电电流Imax选择，一般第一级不小于50A（可选63A），以后各级不小于20A（可选32A）。当采用熔断器时，其配置原则与断路器相同，同时应与上一级熔断器实现选择性配合（配合比为1/1.6）。有关SPD后备保护的选择及注意事项等许多文献都有详细介绍，本文不再赘述。

3 结论

限压型SPD的脱扣器能否在基片老化发热后安全脱扣，直接关系到SPD的安全乃至系统的安全，SPD制造商应当予以高度重视，不断提高SPD产品脱扣器的性能。在出现工频短路时，安装在限压型SPD前端的熔断器或断路器虽能将SPD从电源系统中隔离，但不能从根本上解决SPD存在的问题。由于脱扣器先天的不足，当出现工频严重过压时基片短路，在脱扣器未来得及脱扣时已燃烧起火，这个问题目前还没有理想的解决方案，寄希望于未来技术的发展来解决。

[1] 中华人民共和国国家标准.低压配电系统的电涌保护器（SPD）第1部分：性能要求和试验方法.GB18802.1-2002.

[2]中华人民共和国国家标准.建筑物防雷设计规范，GB50057-2010.

[3]中华人民共和国国家标准.建筑物电子信息系统防雷技术规范，GB50343-2004.

[4]中国航空工业规划设计研究院，等.工业与民用配电设计手册.3版，2005.