基于RLC冲击回路的低压配电SPD试验研究

石剑

摘 要：针对SPD及其冲击电流测试设备结构进行分析，结合低压配电SPD的测试方法进行了大量试验，分析测试中存在的3个问题：指出用10/350 ?s波形触发续流会引起球隙开关拉弧使冲击设备和电源形成低阻抗回路，从而对设备和电源带来损害，并导致不能正确判断续流值大小；探讨了压敏电阻漏流的测量方法，通过最大持续运行电压测试法，能更好地区别和选用产品；利用电路理论分析了电容器剩余电荷对试验残压测量的影响。该文探讨了SPD测试中困扰大家的一些问题，对以后的测试工作具有一定的指导意义。

关键词：SPD测试 续流试验 冲击电流发生器 压敏漏流 剩余电荷

中图分类号：TM774 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）08（c）-0036-05

电涌保护器（Surge Protective Device）在当今的过电压保护中扮演着不可或缺的角色。由于电涌保护器雷电流通过能力、限制过电压的能力以及多级电涌保护器之间的配合等对是否能有效地进行雷电保护起着决定性的作用，且SPD自身会产生串扰、回波阻抗、信号衰减等，如果其自身参数与网络参数差异很大，则在数据的传输过程中，会出现信号衰减值及串扰值增大，阻抗的连续性被破坏，从而影响网络的正常傳输。这就需要对SPD产品的主要性能指标进行测试分析，性能指标不合格的电涌保护器非但不能起到保护作用，反而对保护设备产生危害[1-6]。因此，测试原理及方法的研究对SPD的发展及应用起着至关重要的作用。

结合某集团CNAS试验室的现有设备分析了冲击电流发生器的结构，并对SPD的结构参数和测试方法做了阐述。由于国内近些年才建立了专门的防雷装置检测机构来进行过电压保护产品性能参数的测试，其测试原理及方法大多使用国外现有的标准，因此存在较多疑问。主要有3个方面：（1）2007年的IEC工作会议上，有多人提出为什么用于Ⅰ级试验的SPD不用10/350 ?s波形进行预处理实验来触发续流，却使用8/20 ?s波形。通过试验说明用10/350 ?s触发续流会存在开关拉弧形成近似短路回路问题，也是对标准[7-8]中相关规定的间接有力支持；（2）国标中规定用0.75U1mA测量MOV漏流，通过观察发现多数MOV在漏流测试中的漏流值差别不大，这样便不能更好地区别MOV的好坏以及合理选用，通过大量试验验证了使用最大持续运行电压来测试漏流相对更加合理；（3）在残压测试时，会发现流过SPD的电流为零，切断了放电回路后，其上的残压还会维持很长时间才到零，这个浪涌波过后的电压从何而来？通过试验并结合电路理论分析了电容器残余电荷对残压波形的影响。

针对上述问题，文中利用某集团CNAS试验室ZGLJ-301-3型号8/20 ?s冲击电流发生器和ZGLJ-303-3型号的10/350 ?s冲击电流发生器进行了大量试验，用TEK TDS2012B数字存储示波器对波形进行了采集，通过比较分析，结合电路理论对上述问题做出了诠释。

1 低压配电SPD试验研究

1.1 开关型SPD续流测试问题分析

触发续流的预处理试验是针对开关型SPD，而开关型SPD主要用于第一级防护，主要用于泄放大的雷电流能量。一级雷电流波型为10/350 ?s。IEC61643-1：2005中规定用8/20 ?s冲击电流触发续流。为什么不是用10/350 ?s？

在对预期短路电流要求较大的情况下用10/350 ?s冲击时如果SPD损坏或者未能正确导通，电流会直接冲击到变压器中，对电源变压器损伤较大，具有很大的危险性。如果采取退耦网络保护进行试验，则预期短路电流和功率因素无法满足要求。

另外，用10/350 ?s波形进行触发时当供电电压较高时，试验台的主放电球产生电弧现象，工频电流会流过试验台，测试原理图见图1。

试验设备由2台30 kA冲击电流发生器并联组成60 kA冲击电流发生器。30 kA冲击电流发生器采用1组由6个160 μF电容组成的电容器组，共960 μF。由IEC62305附录C可知：冲击电流小于30 kA时电容为960 ?F，冲击电流大于30 kA时电容为1 920 ?F。

开关型器件在低压配电系统中都是连接在中线和保护线之间，预期短路电流满足100 A即可。因此选用的隔离变压器容量15 kVA，最高输出电压450 V，所以标称电流为33 A。经多次用短路电流测试仪测试，短路电流为105 A。完全符合确定GDT续流大小的预处理试验的要求。

分析图2和3的波型，由于球隙触发放电时开关型SPD没有动作，而主放电球隙产生电弧通道，由于回路电感较小、电容较大，整个回路阻抗相对较小，电源电压直接加在试验台脉冲电容器两端，产生回路，电源的预期短路电流将会流过试验台，烧蚀球隙开关，给设备及操作人员带来很大的安全隐患。而熔断器由于电流较小却没有动作熔断，因此产生以上现象。

另外，现在很多产品有较好的切断续流能力，而放电球隙的灭弧能力则相对较弱。因此，即使开关型器件顺利动作导通而如果球隙不能及时断开回路并且熔断器不能及时熔断的话也会产生电源电流经上述低阻抗回路流经试验台的现象。

1.2 压敏电阻漏流的测试方法分析

一般采用0.75U1mA电压测量其漏电流[9-10]。可是，在实际的测试过程中，较少有泄漏电流不合格的产品，各厂产品的漏流也没有很大的差别。可见此法并不能满足区别MOV参数性能好坏的要求。而使用Uc值，更符合实际，612 V的漏电流为86 ?A，748 V的漏电流为0.22 ?A，这对工程上选用和安装都有更实际的意义。现在生产商都盲目追求低残压，将U1mA值降到极限，如果还是按0.75U1mA测试，达不到筛选优质产品的目的。因此提出使用最大持续运行电压Uc来测试MOV的漏流值大小。这样也能更好地反应MOV在实际运行环境中的预期漏流的大小。

一个Uc=385 V的SPD，实测出U1mA=585 V，处于10%合格范围。0.75U1mA是按照585V为基准计算0.75，测试的漏电流较小；而用Uc=385 V，转换Udc=505 V，那这样测出的漏电流会大一些，无论U1mA选的上限还是下限，只要用于这个Uc下，就应该这样测试。

图4是某集团CNAS试验室用0.75U1mA和最大持续运行电压进行90次测试的漏流值对比。压敏电阻最大持续运行电压420 V，参考电压680 V，标称电流20 kA，每进行一次8/20 ?s冲击后便用两种不同测试方法测量一次漏流值并且记录。可见，起初的数10次冲击后的两种方法测量的漏流值大小差异性不大，当试验进行到60次冲击的时候，漏流值开始出现较明显的变化。其实在进行数10次冲击后，压敏电阻的非线性特性已经发生了很大改变，参考电压值下降。使用0.75U1mA测试使用的是实测参考电压，从图4中可见整个过程中漏流测试结果变化不明显，在很长的一段区间甚至难以发现漏流值的改变。这样单从这个参数便不能够有效地区别出压敏电阻性能的优劣，给实际应用增加了困难和风险。而用最大持续运行电压来测量漏流使用的是固定的UC值换算成等效直流电压Udc（系数1.3），可以很明显地看出压敏性能的变化：泄漏电流值显著增大，这对区别和正确选用压敏电阻具有重要的意义。

1.3 电容器剩余电荷对试验残压的影响

在探討脉冲电容器剩余电荷对试验的影响之前，先对8/20 μs浪涌发生器放电回路的通断时间进行一些分析。脉冲电容器升到一定高压后，控制系统切断充电回路，用气缸牵引电极进行点火，闭合放电回路。放电回路中的调波电阻和电感作用形成标准波形。虽然气缸动作的通断时间可以通过程序来设定，但最小也是毫秒级。如果脉冲电容器残余有电荷，那么此电荷将作用于试品，形成电压，对残压的测量造成影响，使电流过零后视频两端仍然存在残压，对波形的测量带来不利影响。

为了验证上述观点，使用U1mA=82 V压敏，在8/20 ?s波形下测试残压。表1是不同电流下脉冲电容器残余的电压。从表1中可以看出，在小电流时，残余正电荷；大电流时，残余负电荷。

图5分别是+0.2 kA，+4 kA下的波形图。从图5中可以看出在流过压敏的冲击电流为零后，压敏两端的电压并不降为零，这个电压值等于脉冲电容器的残余电压值。残余电压维持的时间等于冲击回路开关切断的时间。

试验电路如图6。C为脉冲电容器电容；L为调波电感；Ro为调波电阻；Rs为放电器间的电弧电阻。由于Ro、Rs和压敏动态电阻r可以等效为一个电阻，那么图可以简化为图7。这是一个零输入RLC串联电路。关系式如式（1）。

根据电路理论[11]，回路响应将取决于电路的固有频率。如果，响应是非振荡过程，如果回路，响应是衰减振荡过程。

正0.2 kA冲击下，SPD的动态电阻较大，系统总电阻较大，，系统为过阻尼状态，电流不会过零形成负峰。当系统电压在小于压敏启动电压时，压敏恢复到高阻，切断放电电路，脉冲电容器未泄放的电荷只能残余在电容器上，脉冲电容器就残余了正的电压。由于点火装置切断的时间远远小于压敏切断的时间，回路仍然是闭合的，那么压敏两端仍然存在脉冲电容器残余的电压。波形上可以看到正常残压到脉冲电容器电压有一个跌落过程。

正4kA冲击下，SPD的动态电阻较小，系统总电阻较小，，系统为欠阻尼状态，电流会过零形成负峰。同样，当在负峰阶段，系统电压在小于压敏启动电压时，压敏恢复到高阻，切断放电电路，脉冲电容器未泄放的电荷只能残余在电容器上，脉冲电容器就残余了负的电压。由于点火装置切断的时间远远小于压敏切断的时间，回路仍然是闭合的，那么压敏两端仍然存在脉冲电容器残余的电压。波形上也有一个跌落过程。如果被保护设备接到压敏两端，那么这个毫秒时间的过电压将有可能造成被保护设备的损坏。

2 结论

（1）用10/350 μs波形冲击触发续流可能会引起放电球隙产生电弧，使电源与冲击电流发生器形成闭合低阻抗回路，会对电源和设备产生很大的危险隐患。这也更好地解释了IEC、GB等标准中规定用8/20 ?s触发续流的原因。

（2）使用0.75U1mA来测试压敏漏流在一定程度上并不能很好地区别产品的性能参数，验证了使用最大持续运行电压测试压敏漏流相对来说可以更好地区别产品性能并在工程应用方面具有更实际的意义。

（3）由于冲击后球隙开关不能迅速切断回路，使电容器上残余电荷形成的电压加在试品上导致电流过零后还存在残压，其值等于电容器残余电荷形成的电压，持续时间为球隙开关关断所用时间。

参考文献

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