包含压敏电阻元件的低压交流电涌保护器失效模式分析

2016-12-17李天密鲍舒耕黄贵君杨国华

现代建筑电气 2016年11期

关键词：压敏电阻电涌劣化

李天密, 鲍舒耕, 黄贵君, 任怡, 赵强, 杨国华

(四川中光防雷科技股份有限公司, 四川成都 611730)

包含压敏电阻元件的低压交流电涌保护器失效模式分析

李天密, 鲍舒耕, 黄贵君, 任怡, 赵强, 杨国华

(四川中光防雷科技股份有限公司, 四川成都 611730)

从压敏电阻(MOV)失效模式相关的电涌保护器(SPD)失效、SPD选用不合理导致的失效以及设计、制造不当及应用环境多样化造成SPD的失效方面分析了SPD的失效原因,并提出了相应的验证措施和解决方案,提高了包含MOV元件的低压交流SPD的可靠性,从而更好地为电力系统和设备提供可靠的安全防护。

电涌保护器; 失效模式; 结构性破坏失效; 可靠性

0 引言

随着我国经济的高速发展,微电子技术得到了广泛应用,设备对电涌的耐受能力相对降低,包含压敏电阻(MOV)元件的低压交流电涌保护器(Surge Protective Device,SPD)(简称MOV型电源SPD)被广泛用于邮电通信、电力、铁道、机场、石化、工民建筑等领域[1-2]。随着MOV型电源SPD的大量使用,由SPD引发火灾事故的现象日渐凸显起来。同时,IEC 61643-11:2011《低压电涌保护器第11部分:低压电力系统的电涌保护器性能要求和试验方法》[1]和UL 1449等SPD标准也在不断针对SPD失效安全性的相关测试方法进行改善,但还存在SPD起火燃烧以及正常使用条件下出现脱扣失效的现象,使设备失去了应有的电涌防护,造成了较高的经济损失和维护成本。

1 与MOV失效模式相关的SPD失效

在现场使用中,连续工作电压、暂时过电压(TOV)、操作过电压和电涌电流等电应力,以及温度交变和异常气候等环境条件,都会导致MOV失效。

1.1 工作性能劣化失效

用于工作性能劣化失效的判据主要有以下几种类型:

(1) 压敏电阻电压相对于初始值的下降,超过了规定百分数(一般规定10%)。

(2) 残压相对于初始值的上升,超过了规定百分数(一般规定10%)。

(3) 剩余电流爬升,即直流剩余电流或交流阻性电流或功耗值在观测时间内持续增大。

以上三项通常都是同时发生,在剩余电流爬升的初始阶段,压敏电阻的性能劣化程度较低,对于保护效果也不会出现明显的降低。一旦压敏电阻的劣化开始出现,后期的劣化将是持续、加速的过程,保护效果也会降低,甚至失去相应的保护作用,比如残压升高,而这种情况也是压敏电阻性能劣化的主要表现,对于IEC 61643-11:2011中在雷击测试和过电压测试后,确保重复测试残压值

IEC 61643-11:2011和YD/T 1235.2—2002《通信局(站)低压配电系统用电浪涌保护器技术测试方法》[2-3]中的热稳定性试验就是考核SPD该类失效安全性的试验。

1.2 常见的结构性破坏失效

(1) 封装层开裂,因为金属电极的热胀系数比ZnO陶瓷体大得多,因此在温度交变或重复脉冲电流试验中,金属电极边沿处的封装层易发生开裂。

(2) 银层烧蚀,特别是焊接在银电极层上的引出线周围或银层本身的边沿部位,易出现被大电流烧蚀的现象。这种故障有时不能通过电性能测试发现,只有去掉封装层才能看到。

(3) 金属电极与银层剥离,或银层与陶瓷元件剥离。

(4) 陶瓷体开裂,局部过热或大脉冲电流产生的热弹性应力会使陶瓷体开裂。这种失效在绝大多数情况下不会引起MOV两电极间短路,以开路失效为主,但也发现过因电极的焊料流入裂口而导致短路的情况,其出现的概率极小。

(5) 陶瓷体穿孔,由于穿孔处的材料已变成低电阻,因此绝大多数表现为短路失效,但也有个别情况,因孔周围没有银电极而表现为开路失效。

(6) 陶瓷体侧面闪络,单位厚度压敏电压高,侧面绝缘处理不好的产品,在窄脉冲大电流冲击下易出现这种故障。

结构性破坏失效中对SPD安全影响比较大的是陶瓷体穿孔后形成的短路失效,电网的短路电流将会瞬间流入MOV。从内部测试的情况来看,如果MOV通过几十安培至上百安培的短路电流,将会在几十至几百毫秒内击穿,而前置的熔断器或断路器来不及动作。

IEC 61643-11:2011中的短路性能试验就是考核SPD短路失效模式的相关试验,包括以下两项:

(1) 用铜块替代MOV后进行的额定短路电流试验和低短路电流试验。铜块替代MOV后,在通过同样电压、电流的情况下,将不会出现陶瓷体开裂、穿孔失效时所产生的陶瓷体局部温度瞬间升高、击穿、喷溅等可以完全破坏SPD脱离机构和内部电气绝缘的现象,所以该项试验和实际使用中的情况相差甚远。

(2) 模拟SPD失效模式的附加试验。最大持续工作电压Uc不超过440 V的SPD,施加1 200 V电压;Uc高于440 V的SPD,施加等于3Uc的电压;预备电压施加的时间为5 s,电源的预期短路电流应调整为1～20 A(RMS)(最大持续工作电压)。

从试验的情况看,施加同样电压情况下,电流越大,对MOV的破坏越严重;同样短路电流的情况下,电压越高,对SPD绝缘要求越高。

针对含有1 mA下导通电压620 V、34 mm×34 mm MOV方片的SPD,当施加电压分别为AC 800 V、1 000 V、1 200 V,预期短路电流为20 A、50 A、100 A时,测试结果如图1所示。

图1 测试结果

因此,该项试验可以考虑将预期短路电流提高到50 A或者100 A,而不规定施加电压,而规定流过SPD的短路电流达到规定的预期短路电流,更接近实际应用中的情况。

2 SPD选用不合理导致的失效

SPD在使用时一定要了解被保护设备的电压情况,尤其是应用在特殊电气系统中,如双馈风机应用中,变流器转子侧由于脉宽调制,重复出现不能被滤波器完全消除的尖峰陡脉冲。在L-PE之间会反复出现1.7 kV、陡度为1.4 kV/μs的瞬时电压,在应用中如果SPD标称导通电压(1 mA)低于该值,就会出现SPD频繁导通的情况,从而加快SPD的劣化,缩短SPD的寿命。因此,用于转子L-PE保护的SPD导通电压>1.7 kV。对于低压SPD,目前MOV的最高标称导通电压为1 800 V±10%,即1 620～1 980 V,所以单独采用MOV的SPD已无法满足防护安全需要。为了达到防护安全需求,L-PE之间采用压敏串联气放管的方式,来提高导通电压,避免上述现象的发生。

3 设计、制造不当及应用环境多样化造成SPD的失效

目前各厂家为了实现SPD短路失效时能够安全脱扣,在脱扣机构的设计上都进行了大量验证和改进工作,如图2所示。

无论采用什么样的脱扣装置,低温焊接部分都会受到不同大小、不同方向的作用力,如果低温脱扣点的焊接没有控制好,则导致SPD的脱离机构在正常工作下动作。特别是随着SPD应用越来越广泛,其所应用的环境也在不断多样化。一般低温焊锡多采用138 ℃等级,现在有些应用环境的温度甚至已达到105 ℃,甚至有些应用环境还伴有振动或者运动的情况,这些应用环境因素都会对SPD低温脱扣点的焊接质量要求越来越高,如果不事先进行相关的环境可靠性试验,必然会出现SPD的脱离机构在正常工作下动作失效[4]。

图2 脱扣机构设计改进

目前已针对SPD应用环境的多样化,针对性地进行了包括低温工作、高温工作、温度循环、高温高湿、交变湿热、低温极限、高温极限、工作振动、工作冲击、翻滚等试验,如图3所示。

通过不断地改进脱扣设计和焊接工艺,最终满足了相关要求,在客户端的应用也得到了很好的验证和认可。

4 结语

SPD的失效主要和其内部MOV的失效、合理的选用以及设计、制造工艺技术的不当等因素有关。为了提高SPD安全可靠性和环境可靠性,有以下几点建议:

(1) 针对MOV的失效,建议MOV厂家不断改进其制造工艺水平,提高MOV的冲击耐受能力和工频耐受特性,降低陶瓷体穿孔时造成的喷溅、燃烧程度,降低MOV短路失效时对SPD内部绝缘和脱扣机构的破坏程度。

图3 有针对的试验

(2) IEC 61643-11:2011中短路性能试验,虽然已增加了模拟SPD失效模式的附加试验,但是希望能够尽快尽量结合实际应用情况,研究制定出更切合实际、经得起考验的测试方法,从而整体提高SPD安全可靠性水平。

(3) SPD制造商和用户之间多沟通互动,用户尽量将现场的应用环境告知SPD制造商,主要包括是否存在重复脉冲尖峰电压,工作环境的温度/湿度情况,是否存在机械振动环境等。SPD制造商通过相关的评估推荐合适的SPD产品,避免由于选用不当导致SPD的失效。

(4) SPD制造商尽量将脱扣机构中的焊接工艺自动化,不断提升工艺技术水平,减少人工操作带来的相关风险,提高产品生产的一致性,避免由于制造工艺技术问题导致的SPD失效。

总之,要不断提高MOV型电源SPD的安全可靠性和环境可靠性,减少由于SPD失效故障所造成的经济损失和安全事故,更好地为电力系统和设备提供高可靠的安全防护。

[1] 低压电涌保护器第11部分:低压电力系统的电涌保护器性能要求和试验方法:IEC 61643-11:2011[S].

[2] 通信局(站)低压配电系统用电浪涌保护器技术要求:YD/T 1235.1—2002[S].

[3] 通信局(站)低压配电系统用电浪涌保护器技术测试方法:YD/T 1235.2—2002[S].

[4] 李天密,鲁强.风力发电机组综合防雷[J].风能,2014(11):118-123.

Analysis on Failure Mode of Low Voltage AC Surge Protective Device Containing Varistor

LI Tianmi, BAO Shugeng, HUANG Guijun, REN Yi, ZHAO Qiang, YANG Guohua

(Zhongguang Lightning Protection Technologies Co., Ltd., Chengdu 611730, China)

This paper analyzed the failure causes of surge protective device(SPD),including SPD failure mode which was related to tovaristor failure mode,unreasonable SPD selection, improper design and manufacture,and different application environments. The corresponding verification measures and solution were proposed,which improve the reliability of low voltage AC SPD containing varistor. It can better offer the reliable protection for power supply system and device.

surge protective device(SPD); failure mode; structural destruction failure; reliability