限压型SPD能量配合研究分析

顾菊平 张枨

摘 要：针对限压型SPD之间能量配合的问题，根据传输线理论及电路理论对雷电流的传输过程进行分析，通过ICGS冲击电流发生器进行冲击试验，结果表明：波的传输理论及电路理论能够正确性解释5?H退耦电感代替5m线缆的合理性；采用5 m导线或5?H无磁环电感作为退耦元件时，第一级SPD与第二级SPD的分流比均为9∶1左右，第一级SPD泄放大电流，释放90%以上的能量，而第二级SPD主要起到限制残压的作用，很好的达到了能量配合的效果；在选择带有磁环的电感作为退耦元件时，应当考虑到磁饱和现象对于能量配合所产生的影响，适当加大退耦元件的电感值。

关键词：传输线理论 电涌保护器 退耦元件 能量配合

中图分类号：TM23 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（a）-0110-03

根据GB-50057建筑物的防雷设计规范中要求，各防雷区交界处及被保护设备处安装的SPD，其允许的电压保护水平和残压值必须符合各级电力装置绝缘配合的要求，并满足被保护设备的抗冲击性要求[1]。安装在LPZ1区与LPZ2区交界面处的第二级SPD应考虑由雷电流引发的电磁场的作用及进一步降低第一级避雷器的残压。这样，在实际选择安装SPD的过程中，针对一些建筑物内部的设施设备，特别是保护低压电力系统和敏感的信息系统设备时，为了限制各种入侵的雷电电涌，可能需要装设多级SPD以逐级削减雷电瞬态过电压能量，直到满足保护设备的安全性要求。所以，在多级SPD设计以及实践的过程中，常常会出现一系列由于能量配合而引起的问题，其中最典型的是SPD无法逐级动作，若后一级SPD比前一级先动作，不仅会使次级SPD打坏，还将给被保护设备带来巨大的隐患。所以在工程应用中，根据IEC 62305-4和IEC 61643-12等相关防雷规范的要求，两个限压型SPD之间的线路长度应大于5 m。当实际条件无法满足5 m的长度时，为了能有满足SPD内部间的多级保护，则需要相对应的器件来实现能量配合[2]。

1 电路理论的分析

在实际的工程实践中，由于内部物理空间的限制，考虑到两限压型SPD之间的距离小于电源的波长，故针对具体的两级SPD能量配合时应当在传输理论的基础上通过电路理论对集中参数进行分析（如图1所示）[3-4]。

当两级限压型SPD距离小于5 m时，后方的MOV可将瞬态电压降到远低于前级MOV的启动电压，这将阻止MOV1动作，因此，在较大的空间条件下，SPD之间的线缆距离要长一些，这样可提供足够大的电感而使MOV1触发。不能满足SPD级间的线路距离要求时，前一级浪涌保护器不动作将使过高的能量到达后方SPD，同样会将后方的SPD打坏。所以两者之间的配合可通过串联退耦电感来保证前级SPD在后级动作前启动，泄放大电流[5-7]。

退耦元件的电感值应当确保两级压敏电阻可靠动作，其计算公式如下：

（1）

式中：为MOV1的放电电压；

为脉冲的上升率；

为后方MOV2的电压降，（注意R是非线性值）。

由上式可得出：

（2）

根据常用压敏电阻便的参数以及上式可以估算出电感值约等于5?H[8-9]。经过测量，每米的导线电感量约为1?H，综合考虑多种因素，如响应时间25ns的不确定性、不同种压敏电阻特性的分散性等。实际工程中用5?H的退耦电感来替代导线，从而实现两个限压型SPD间的能量配合[10]。

2 实验结果及数据分析

为了进一步验证传输理论及电路理论对于分析两级限压型SPD能量配合问题上运用的正确性，进行了三组实验。当距离要求不能够满足5 m时，通过实验来正确选择退耦元件电感值的大小[11-12]。

2.1 实验设备及元件

FC-2G防雷元件测试仪，TH2818元件自动分析仪，ICGS雷电冲击试验平台，本实验统一采用34 mm×34 mm的压敏电阻片，参数值分别为：UC=385V，In=20 kA，Imax=40 kA，UP=2 kV。

2.2 用5 m的导线作为退耦元件

如图1连接方式将，利用5 m导线作为退耦元件，将静态参数相同的两个限压型SPD并联连接。先测量总通流和残压，再测量流过后级压敏电阻的通流和残压。测量结果如表1所示。

图2是这种接法在10kV的8/20?s电流波冲击下总通流和总残压与后级压敏电阻上的残压和通流的波形图（①表示残压，②表示通流）。

通过表1可知，当两个静态参数相同的限压型SPD通过5 m导线并联时，两级的平均分流比为89.7%和10.3%，再结合图3，可以看出两级的总通流和第一级通流的陡度较大，上升趋势十分明显，这都说明了在这种连接方式下，前级SPD主要起到泄放大电流的作用，而后级SPD除了泄放少部分雷电流之外还起到箝压的效果，使负载上的电压小于其本身的耐受冲击电压。同时，随着冲击电压的增大，两级的残压都在增大，但上升趋势比较缓慢，这与传输理论的分析结果一致。

2.3 用5?H无磁环电感作为退耦元件

如图1连接方式将，利用5?H的无磁环电感，将静态参数相同的两个限压型SPD并联连接。先测量总通流和残压，再测量流过后级压敏电阻的通流和残压。测量结果如表2所示。

由表2可知，当两个静态参数相同的限压型SPD通过5?H的无磁环电感连接时，两级的平均分流比为88.3%和11.7%。比较图3和图4可知，无论是分流比还是各级通流的上升趋势都与5 m导线连接时的情况基本接近，这说明，用同等值的无磁环电感代替5 m导线来实现两级限压型SPD之间的能量配合是合理的。

2.4 用5 m导线等值的5?H带磁环电感作为退耦元件

利用磁导率为5000 H/m的磁环制作退耦电感，如图1连接方式将，将静态参数相同的两个限压型SPD并联连接。先测量总通流和残压，再测量流过后级压敏电阻的通流和残压。测量结果如表3所示。

通过表3可知，当两限压型SPD之间并联5?H的带磁环电感时，两级之间分流比平均值为76.7%和22.3%。这说明，在实际的电路中，虽然这种情况下前级SPD的主要作用仍然是泄放大的雷电流，后级除了泄放小部分雷电流之外也还能够箝压，但其配合的效果与5 m导线作为退耦电感时差别较大。这是因为，当大电流通过带磁环电感时出现了磁饱和现象，使电感的值减小。这个并联电路的电压计算情况

（3）

其中Ures1和Ures2分别是前级和后级压敏电阻上的残压值，出现磁饱和现象后，使得电感上的压降减小，从而使Ures2增大，进而使后级SPD上的电流变大，这与电路理论的分析基本一致。因此，我们在用带磁环电感作为退耦元件时应考虑到其可能出现的磁饱和现象[13-15]。

3 结语

（1）采用5 m导线或5?H无磁环电感作为退耦元件时，第一级压敏电阻与第二级压敏电阻之间的分流比均为9∶1左右，这说明在实际电路中，第一级压敏电阻主要作用是泄放大电流，释放90%以上的能量，而第二级压敏电阻除了泄放少部分雷电流之外，主要起到限制残压的作用，很好的达到了能量配合的效果。

（2）实验表明：在选择带有磁环的电感作为退耦元件时，由于磁饱和现象，使得第二级压敏电阻的分得的电流明显增大，残压也随之升高。为了避免这种现象，在实际设计中应适当增大退耦元件电感值。

参考文献

[1] GB 50057-2010，建筑物的防雷设计规范[S].

[2] International Electrotechnical Commission. IEC 61643-1：2005 Low -voltage surge protective device-Part 1：surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems- Requirements and tests[S].Geneva：IEC Publiced，2005：13-14.

[3] 李祥超.电涌保护器（SPD）原理与应用[M].北京：气象出版社，2010：78-81.

[4] 李盛涛.ZnO压敏电阻片的基础研究和技术发展动态[J].电瓷避雷器，1998（3）：42-47.

[5] EDA K. Conduction mechanism of non-ohmic zinc oxide ceramics[J].Journal of Applied Physics，1978，49（5）：2964-2972.

[6] 王茂华，胡克鳌，张南法.电涌保护器中压敏电阻并联的方法和理论分析[J].电瓷避雷器，2004（6）：37-40.

[7] 邢晓东，谢道华，胡明.压敏电阻陶瓷材料的研究进展[J].电子元件与材料，2004，23（2）：21-24.

[8] 卢燕.电涌保护器的性能与试验方法的研究[D].南京：南京信息工程大学大气物理学院，2008.

[9] 寇晓，程锦，李彦明.氧化锌压敏电阻直流小电流区.域伏安特性的研究[J].电磁避雷器，2003（6）：30-33.

[11] 吴维韩，何金良，高玉明.金属氧化物非线性电阻特性和应用[M].北京：清华大学出版社，1998：123-124.

[12] 陈志清，谢恒堃.氧化锌压敏陶瓷及其在电力系统中的应用[M].北京：水利电力出版社，1992：1-3.

[13] 杨仲江，陈琳，杜志航，等.氧化锌压敏电阻劣化过程中电容量变化的分析应用[J].高电压技术，2010，36（9）：2167-2172.

[14] 章会良，曹全喜，宋建军，等.高能氧化锌压敏元件研究[J].电子元件与材料，2007，26（10）：51-53.

[15] 宿元斌，孙丽昙，杨志坚.低压压敏电阻器的研究进展[J].电子元件与材料，2010，29（6）：74-78.