浅谈SPD 模拟失效试验的预期失效电流

刘婷

【摘要】本文介绍了电涌保护器（SPD）的定义、构造，并指出了大部分电涌保护器是由压敏电阻组成的。进而分析了压敏电阻的工作原理、U-I 特性曲线及短路劣化时存在的风险，提出了电涌保护器需带有内部脱离装置，并由SPD 模拟失效试验来验证脱离装置的有效性。

【关键词】模拟失效试验；电涌保护器（SPD）；压敏电阻（MOV）；失效电流；短路电流

一、电涌保护器（SPD）的概述

SPD 是英文Surge Protective Device 的缩写，IEC（国际电工委员会）将其定义为“用做限制瞬态过电压和泄放冲击电流的装置，它至少应包含一个非线性元件”。ITU（国际电信联盟）将SPD 定义为“用来减少具有有限持续时间的冲击过电压和过电流的装置，它可以只含有一个器件或者有较复杂的设计，集合几种功能。它至少应包含一个非线性元件”。由此可见，它是用来限制冲击过电压和泄放过电流的装置，它可以是单个非线性元件组成，也可以是多个非线性元件组成，也可以是线性元件和非线性元件复合而成。

电涌保护器按构成分为电压限制型SPD和电压开关型SPD两大类。常用的电压限制型元件有压敏电阻和抑制二极管；常用的电压开关型元件有放电间隙、气体放电管、晶闸管（可控硅整流器）和双向三极晶闸管。常见的SPD以电压限制型SPD 为主，其构成元件绝大部分为压敏电阻。因此，本文以压敏电阻构成的电压限制型SPD 为例，进行模拟失效试验的分析。

二、压敏电阻的工作原理

压敏电阻一般与电器并联使用。当压敏电阻两端所加电压低于标称压敏电压时，压敏电阻的阻值接近无穷大，内部几乎无电流流过，这样就不影响电器设备的正常工作；当压敏电阻两端电压高于标称压敏电压时，压敏电阻将迅速击穿导通，并由高阻状態变为低阻状态，泄放掉绝大部分的浪涌电流，从而保护了电器设备，此时，当其两端电压低于标称压敏电压时，压敏电阻又能自动恢复到高阻状态。

压敏电阻在高电压下能迅速变为低阻抗，当高电压消失时，又能迅速恢复到高阻抗的特性取决于压敏电阻的U-I 特性曲线。ZnO 压敏电阻器的U-I特性呈现出特殊的非线性，如图1所示，其U-I特性曲线可以分为预击穿区、击穿区和回升区三个部分。当电压值达到击穿电压的数值以前，压敏电阻接近于绝缘体；而在电压高过击穿电压时，压敏电阻呈现出导体的性质。预击穿区和击穿区是元件的主要工作区。预击穿区是线性的小电流区段，其U-I特性是线性的。当电压升高到超过其拐点电压时，压敏电阻进入击穿区。这个区段间是压敏电阻工作的核心区段。这时候，电压的微小增大变化会引起电流的急剧上升。回升区是元件可能受到破坏的区域，在这个区段，压敏电阻的U-I特性再次趋向线性，就像预击穿区一样，但这时候其电压随电流增大而上升的速度要快得多。

虽然压敏电阻的工作电流非常小，但由于泄漏电流的存在，长期使用后有可能使压敏电阻短路劣化，或者当压敏电阻吸收的能量大于其能量耐量时，也可能出现短路劣化。此外，当压敏电阻两端电压超过其最大限制电压时，压敏电阻将完全击穿损坏，一般会使压敏电阻呈现低阻抗而无法自行恢复到高阻抗。这时的压敏电阻如果仍然连接在电路中就会产生安全隐患。所以，一般由压敏电阻构成的电涌保护器（SPD）一般都带有一个内部的脱离装置，在压敏电阻短路劣化时，将SPD 从电力系统中切断开，从而防止火灾等类似灾害的产生。那么，这个脱离装置就需要有一定的要求，当压敏电阻短路劣化时，能将SPD从电力系统切断开，这个功能通过标准IEC 61643-11：2011 中的8.5.3.2 条款，即SPD的模拟失效试验来进行验证。

图1 压敏电阻的U-I 曲线图

三、SPD 模拟失效试验

1.试验方法

SPD模拟失效试验的试验电路图如图2所示，时序图如图3 所示。从图中可以看出，SPD模拟失效试验分为短路失效预处理试验和短路电流试验两部分。其中短路失效预处理部分的电源电压需满足以下要求：（1） Uc不超过440V的SPD，施加1200V 的电压；（2） Uc 高于440V 的SPD，施加等于3倍Uc的电压。

短路试验的电源电压为UREF，试验电流依次为100A、500A、1000A 以及制造厂声称的额定短路电流。在预处理试验结束和施加UREF 电压之间的时间间隔应尽可能短，不应超过100ms。

图2. SPD 失效模拟试验电路图

图3. SPD 失效模拟试验时序图

2.失效预处理试验的试验电流Ip

根据压敏电阻的U-I 特性曲线可知，如果失效预处理试验电流Ip 取值过小或未经过预处理试验直接施加UREF（一般为255V）在SPD上，压敏电阻根本不会导通，起不到预期的效果；如果预处理试验电流Ip 取值太大，又会导致压敏电阻直接烧毁，同样模拟不了压敏电阻的短路失效。只有预处理试验电流Ip选取适当的值，使压敏电阻在预处理试验阶段完成短路失效的目的，才能使后续的短路电流试验顺利进行，从而确定电涌保护器的脱离装置是否有效。

结束语

电涌保护器是广泛用在低压配电系统中用于抑制过电压、泄放电涌电流的低压电器，其核心元器件通常是压敏电阻。由于压敏电阻在长期老化或者暂时过电

压的作用下会发生短路失效，导致SPD上流过低压配电系统在其安装位置上的预期短路电流。SPD模拟失效试验失效电流的选取对整个试验具有至关重要的影响，选择的电流过小时压敏电阻没有短路失效，后续的短路试验就变得没有意义。

参考文献

[1]GB 18802.1-2011低压电涌保护器（SPD） 第1部分：低压配电系统的电涌保护器性能要求和试验方法

[2]IEC 61643-11：2011 Low-voltage surge protective devices- Part 11：Surge protective devices connected to low-voltagepower systems – Requirements and test methods