限压型电涌保护器的性能分析及对策

2016-01-15余昌松,殷春生,王华卿等

智能建筑电气技术 2015年4期

限压型电涌保护器的性能分析及对策

余昌松1/ 殷春生2/ 王华卿1/ 裘文君2(1. 淳安县气象局，浙江淳安 311700；2. 富阳市气象局，浙江富阳 311400)

摘要低压供电系统中暂态过电压将对电涌保护器的运行产生一定的影响，这也是引起限压型SPD失效起火和限压型SPD电气性能差、造成终端设备损坏的最主要原因，针对电涌保护器(SPD)自身存在的防雷安全问题，介绍了限压型电涌保护器的工作原理，结合限压型电涌保护器中氧化锌压敏电阻的特点，介绍熔断器的分类和参数选择要求，提出了限压型SPD在使用过程中与熔断器的匹配方法，为合理选择熔断器提供借鉴。

关键词电涌保护器氧化锌压敏电阻暂态过电压熔断器

AbstractOvervoltage in transient voltage power supply system has some effect on the running of surge protectors, which causes the poor performance and failure on fire in voltage limiting type SPD， and the damage of terminal devices. Aiming at the lightning protection security problems existing in SPD, the working principle of voltage limiting type SPD is introduced. Combining with the characteristics of ZnO varistors, the classification and the parameter selections of fuses are introduced, and the matching method with SPD is presented, which provides reasonable choice of fuses for reference.

Keywordsurge protectors, zinc oxide varistor, transient overvoltage, fuses

作者简介

0引言

安装在供电系统的电涌保护器(SPD)是保护电气、电子设备的重要防雷设备，因其结构简单、维护方便，且具有通流容量大、响应速度快、无工频续流、能任意组合等优良特点，得到广泛应用。但电涌保护器(SPD)自身存在防雷安全问题，甚至还会出现SPD起火自燃，严重危害设备的安全。因此电涌保护器(SPD)在为电气设备提供雷电防护的同时，必须解决好SPD自身的防雷安全问题。下面就限压型SPD的核心元件——氧化锌压敏电阻的自身使用安全问题进行分析研究提出使用对策。

1限压型SPD的工作原理

并联安装在电源线路中的电涌保护器(SPD)，当电网系统正常运行时，氧化锌压敏电阻呈高阻状态，电网工作正常；而当线路受雷击或电源波动引起浪涌过电压，其浪涌电压幅值达到SPD启动电压时，氧化锌压敏电阻呈低阻状态而导通，对地迅速泄放过电流，限制浪涌过电压幅值在被保护设备允许承受的电平以下，保护电气、电子设备的使用安全，浪涌过电压泄放后，氧化锌压敏电阻呈现高阻态，电路恢复正常工作[1，2]。

2低压供电系统中暂态过电压(TOV)产生的原因及对电涌保护器(SPD)的影响

低压供电系统中的暂态过电压(TOV)，是低压供电系统自身所产生的，其幅值大大超出正常的工作电压，有时可能是正常工作电压的几倍，持续时间要超出瞬态过电压的微秒级，在数百毫秒级至数秒级之间，甚至更长，足以造成氧化锌压敏电阻热击穿起弧、起火。主要有以下三种情况。

2.1单相接地过电压

在低压供电系统一相对地短路，造成其他两相对地电压升高为线电压( 380V)。此时单相接地持续时间不长，氧化锌压敏电阻的质量较好且参考电压U1mA≥510V时，可能不会酿成其他严重后果，只造成SPD脱扣动作。否则，就会造成氧化锌压敏电阻热击穿短路起弧、起火。

2.2共地耦合转移过电压

由于配电变压器的高低压共用接地系统，当高压侧发生故障接地时，会出现一个幅值很高的持续高电压,因SPD的热脱离机构来不及工作，可能造成氧化锌压敏电阻热击穿短路。

2.3失零过电压

由于某种原因造成低压供电系统中性线断路，即产生失零过电压。此时输出的相电压变成线电压，其电压值可以高达700V以上，在数秒钟内就造成氧化锌压敏电阻热击穿，易造成起弧、起火。

3引起限压型SPD失效起火的原因

限压型SPD主要由氧化锌压敏电阻芯片(MOV)、热脱离保护机构、连接铜件及阻燃封装外壳等组成[3]。安装在电源线路中的SPD，任何时候都要承受电源电压的严重考验。其一是低压供电系统中的暂态过电压(TOV)，其二是雷击过电压与正常工频电压的叠加作用，此时正常的工频电压相当于对氧化锌压敏电阻施加了一个极高的持续过电压，造成氧化锌压敏电阻被热熔击穿。氧化锌压敏电阻被击穿后,造成短路起弧、起火燃烧、损坏设备、引发火灾[4]。

虽然SPD自身带有热脱离保护装置，但最近几年收集到许多损坏的样品中，发现损坏的SPD的MOV中，基本都有大电流烧穿的熔洞。这说明大部份SPD模块损坏的主要原因是：脱扣机构未能有效地及时脱开，造成SPD内的MOV基片击穿，引起工频电流短路。而基于低温焊锡的脱扣器，需要温度升高达到或超过焊锡的熔点才能将焊锡熔化，脱扣器动作要有一个温度升高和加热熔化的时间过程。因此，热脱离保护装置是不能解决电涌保护器自身的安全问题的。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》(GB 18802.1-2002)(IEC 61643-1)第3章第3.29 条注释描述“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”[5]，即脱扣器只能解决基片老化引起的SPD元件失效问题，不能消除电涌保护器自身的安全问题。

4限压型SPD电气性能差造成终端设备损坏

限压型SPD中由于各种氧化物机械掺杂的不均匀和高温烧结时出现的不完全反应，都会造成限压型SPD氧化锌压敏电阻芯片(MOV)之间电气性能差异，特别是参考电压和动态电阻的不匹配。安装在电源线路中的限压型SPD，当线路中因雷击或电源波动引起的浪涌过电压达到SPD启动电压时，限压型SPD中氧化锌压敏电阻某一芯片首先导通,迅速将过电流对地泄放,被限制在某一低电位，而其余的氧化锌压敏电阻芯片未导通，把浪涌过电压传播到设备端，使设备承受比雷击或电源波动引起的浪涌过电压更高的浪涌过电压，造成终端设备的损失。

氧化锌压敏电阻通过多片的并联组合，提高其通流量和抗击雷击电流的能力，但是不同配方组成的MOV基片的电气性能存在差异，即使同配方组成的MOV基片的电气性能也存在差异，在组装SPD时，要求尽可能选择压敏电阻芯片的参考电压、动态电阻等电气参数基本相等(参考电压≤5V)，否则可能出现差模过电压对被保护设备的损坏，特别是在检查维修时发现，SPD中某一芯片损坏时，应当整体更换SPD，而不应该只更换某一芯片(相同型号)。

5SPD与熔断器的配合使用

5.1电涌保护器与熔断器的配合使用

电涌保护器在抑制雷电过电压的同时，会泄放很大的暂态电流，对电涌保护器自身的防雷安全是一个严重考验，因此要根据电路的实际情况将电涌保护器与熔断器配合使用，对电涌保护器自身防雷安全加以限流保护，避免发生热损坏。但熔断器自身存在的电阻和电感无疑会增加SPD保护回路的残压[6]。业内人士通过测试表明：引入熔断器后将使被保护回路的残压增加10%～25%[7]，这是在SPD设计安装时必须考虑的问题。电涌保护器与熔断器配合使用的电路原理图见图1[8]。

图1　电涌保护器与熔断器的配合使用的电路原理图

5.2SPD前端熔断器参数的选择

SPD前端串联熔断器的选择应符合两个要求：一方面要能耐受极大的雷电放电流而不熔断，另一方面在较大工频续流情况下能熔断。就是要保证电涌电流的正常泄放，同时又要求电涌保护器在抑制暂态过电压的过程中，吸收的能量超过其额定容量极限或在承受超过其额定电压时，工频续流增大，导致氧化锌压敏电阻温度升高，在可能造成电涌保护器发生爆炸、短路之前及时切断电源电路的功能，以对电涌保护器实施保护作用[9]。熔断器的选择：必须保证保护回路故障熔断器2熔断，熔断器1完好，主电路仍能正常工作，同时还应从以下几个方面考虑。

5.2.1熔断器的分类

熔断器按保护形式可分为过电流保护和过热保护。用于过电流保护的熔断器通常叫保险丝，也叫限流保险丝。用于防止发热或易发热电器过热保护的熔断器叫温度保险丝。

按熔断速度分为特慢速熔断器、慢速熔断器、中速熔断器、快速熔断器及特快速熔断器。对电流特别敏感的电子或电气元件应使用快速或特快速熔断器；而对短时过载或浪涌电流比较大的电气线路应使用慢速熔断器。慢速熔断器的熔体是经特殊处理的，在脉冲电路中既可以作短路保护又具备过载保护的功能。这种经特殊处理的熔断器是与电涌保护器配合使用的理想选择。

5.2.2 熔断器额定电压

熔断器额定电压是熔断器的最高工作电压。就是说熔断器只能在低于或等于熔断器额定电压的电路中工作。否则，可能出现熔断器被高压击穿或持续飞弧危害电气线路的现象。熔断器额定电压的选取应当满足公式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中，UC为熔断器额定电压；UCS为电网的最大持续运行电压；UT(t)为SPD的暂态过电压耐受值，其值与时间有关；UTOV(t)为电路中产生的过电压值，其与时间有关。

熔断器额定电压的选择应符合以下几点[10]：

1)三相电路熔断器额定电压应按额定线电压选取。

2)单相线路系统熔断器额定电压按最高相电压的115%选择。

3)三相中性点绝缘系统或谐振接地系统，因可能发生系统的双接地故障(故障点分别出现在电源侧和负载侧、且不同相)，熔断器额定电压应按最高线电压选择。

5.2.3熔断器额定电流

熔断器的动作具有反时限特性，即熔体熔断所需要的时间是与通过的电流大小成反比，小电流是不会熔断熔体的；每一熔体都对应一个最小熔化电流，最小熔化电流会受环境温度影响有所变化，但在实际使用中不予考虑。通常定义熔体的最小熔化电流与额定电流之比为最小熔化系数。一般取最小熔化系数≥1.25，即额定电流为10A的熔体在12.5A以下不会熔断，具体应依据SPD安装位置以及供电系统可能出现的故障电流来确定。

熔断器要保证电涌保护器能泄放极大的雷电流而不熔断，因此熔断器的熔断电流值要与电涌保护器的最大通流容量相配合[8]，并满足公式(3)。

W=I2RT

(3)

式中，W为能量；I为电流值；T为通过电流的时间；R为导体电阻值。

根据能量守恒定律，则有：

(4)

式中，I1为雷电流威胁值，T1为雷电波持续时间，为微秒级；R1为SPD导通时的电阻；I2为熔断器熔断电流的取值；T2为熔断器的熔断时间，为秒级；R2为熔断器的电阻值，该电阻值大小与温度、熔断电流值的大小等有关。

公式(4)是选择熔断器额定电流是否正确的判断依据。

5.2.4熔断器额定熔化热能

熔断器的额定熔化热能是指熔断器熔体熔化所需要的能量值，是熔断器抗雷击浪涌能力的重要技术指标，熔断器的额定熔化热能越大，说明熔断器抗击雷电能力越强，熔断器熔断所需要的雷击电流越大，熔断器熔断时间越长[11]。虽然雷电过电流持续的时间很短，但是雷击产生的热能是巨大的，因此选择熔断器时应当考虑最大雷击电流的热能值。

熔断器的抗雷击浪涌能力测试试验数据[8]如表1所示。

表1　熔断器的抗雷击浪涌能力测试试验数据

从表1可以看出,额定电流值大的熔断器所能承受的雷电流峰值不一定大，其抗雷击能力与额定电流的大小没有直接关系。

在熔断器与电涌保护器配合使用时，存在着是否匹配的问题。理想的情况应该是熔断器不降低线路的抗雷击能力，同时又保证电涌保护器抑制强烈雷电过电压又免于损坏[9]。但事实上是很难实现上述理想的搭配，在实际应用时，应根据电路额定的工作电压、电流和电路抗击雷电流的能力，再结合上述四个方面来选择确定熔断器的各种参数，采用熔断器加电涌保护器的方案，实现过流和浪涌保护。

6结束语

在选择使用电涌保护器时，不仅要重视其保护效果，选用残压低、通流量大的氧化锌压敏电阻芯片，而且要关注SPD自身的安全问题, 绝对不能有起火燃烧的迹象或SPD部件爆炸弹出的现象。通过对电涌保护器内部结构、工作原理、出现故障的原因分析，提出了熔断器与浪涌保护配合使用的方法，并对熔断器进行系统分析，为合理选择熔断器提供借鉴。

参考文献

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