氧化类电压限制型电涌保护器动作负载试验研究

贾志强 张利华 田艳茹

(1.北京市大兴区气象局 北京 102600；2.北京雷电防护装置测试中心 北京 102600)

1 概述

随着国民经济的高速发展以及现代化水平的提高，氧化锌电压限制型低压配电电涌保护器(以下简称SPD)已被广泛用于邮电通讯、电力、铁道、机场、石化、工民建等各个行业。随着SPD的大量使用，由其造成的火灾事故和雷电防护失效凸显起来[1]。国外许多专家把电涌保护器起火现象称之“防雷工作的次生灾害”，自1967年日本松下公司发明了电压限制型低压配电电涌保护器至今，起火现象一直是防雷工作有效发展中的瓶颈。美国消费品安全委员会(CPSC)透露，已收到700起电涌保护器过热和熔化的报告，以及55起因冒烟起火造成的财产损失报告[2-3]。国内每年电压限制型低压配电电涌保护器火灾事故高达上万起，给国家和企业造成了巨大的经济损失[1]。

SPD起火事故引起了防雷行业的高度重视，目前国内市场SPD产品质量基于《低压电涌保护器(SPD)》(GB/T 18802.1-2011)标准，且不能够适应国际标准IEC 61643-11-2011，提高SPD产品性能和标准迫在眉睫。已经送审的GB/T 18802.11标准进一步明确了负载侧功率特性动作负载试验及功率特性的产品标识。很显然，GB/T 18802.11更加重视和强化了电涌保护器在工作状态(有标识下的额定负载电流/功率的状态)下对电涌保护器的保护特性，要求在负载端安装的电涌保护器必须标明标称拟定被保护的负载工作电流。为了配合新标准的制定和实施，本文依托“低压电涌保护器(钳压型)动作负载研究”科研课题，做一些相关试验研究。

2 低压配电电涌保护器故障起火机理

氧化锌变阻器类电压限制型低压配电电涌保护器起火的原因很多，其中包括：动作负载的着火故障、单相接地过电压起火故障、高低压共地耦合转移过电压起火故障、失零过电压起火故障、雷击续流起火故障及相电压相续高压故障等。

国内外及行业标准中要求电压限制型低压配电电涌保护器安装后备过流保护装置，目的是当电压限制型低压配电电涌保护器出现起火短路故障时，保护装置能够迅速切断电路，避免保护开关出现越级脱扣，造成电源系统大面积断电[4-5]。另外一个作用是防止电源系统出现电压异常升高导致电压限制型低压配电电涌保护器启动流入工频电流起火。很遗憾目前所有的断路设备(各种断路器、熔断器)均在电压限制型低压配电电涌保护器起火时无法断开，因为电压限制型低压配电电涌保护器起火时起始保护器故障电流较小而达不到断路装置的工作电流，造成氧化锌变阻器类电压限制型低压配电电涌保护器起火。

3 试验设计及数据分析

3.1 试验目的

氧化锌变阻器类电压限制型电涌保护器，需在电涌保护器最大持续工作电压下施加拟定被保护负载的功率(通常以负载工作电流为代表)，安装工频电流/电压的正弦波设定的角度下实施模拟雷电流冲击实验，观察电涌保护器的各种系统工作状态，用以确定是否发生续流下的着火现象，测试目前国内SPD产品在国际标准和国内送审的新标准下的实验性能和质量情况。

3.2 试验依据

试验参照标准：(1)《低压电涌保护器(SPD)第11部分：低压配电系统电涌保护器性能要求和试验方法》(IEC 61643-11-2011)；(2)《低压电涌保护器(SPD)第11部分：低压配电系统电涌 保护器性能要求和试验方法》(GB/T 18802.11-20××)送审稿[6]；(3)《低压电涌保护器(SPD)第1部分：低压配电系统电涌保护器性能要求和试验方法》(GB/T 18802.1-2011)。

3.3 试验系统流程(见图1)

图1 试验系统流程

3.4 试验数据及分析

试验试品为市场采购品，分10组进行试验，每组3只样品。试验设备包括三进单出大功率隔离变压器，1 500 A交流负载柜，模拟雷击电流发生器，动作负载测试系统，高温试验设备，分压器、分流器等其他辅助试验设备。

3.4.1 试品第一次Up前期预测试验循环试验

对每只SPD进行20 kA(8/20)三次冲击，然后对试品的Up进行测试，掌握试品试验前的初始电压保护水平Up。

将所得数据做Up-冲击电流In坐标图(kV-kA)，如图2所示，经分析发现：坐标点分布在斜率为0.272 kV/kA，垂直宽为0.42 kV，而且上沿经过(18.5 kA，1.32 kV)坐标点，下沿经过(18.5 kA，0.9 kV)坐标点的向上倾斜的通道内；为了后面的分析对比，我们定义这个通道为初始状态通道，并记下通道位置；为了过滤掉试验冲击电流In的波动对Up的影响，我们引入了Up/In这一参数，根据数据计算，得到预计Up与冲击电流In的初始比值为：(Up/In)0＝0.078 0 kV/kA。

图2 第一次Up前期预测试验(Up/In)图

3.4.2 试品系统Uc预测试验

系统Uc预测试验是将试品两端加上Uc，在烘箱85°温度环境48 h老化，使试品内部形成的结构更加牢固稳定，逐渐使其理化性能、电气学特性更加趋于稳定和正常；老化试验后随即测量参考Up值。

将所得数据做Up-冲击电流In坐标图(kV-kA)，并叠加上一步骤所得初始状态通道，如图3所示。

图3 系统Uc预测试验(Up/In)图

对图3进行分析，发现一部分落点向通道上沿移动，有的超过了上沿，大部分保持在第一次Up前期预测试验的落点区域内，少部分向下移动分散，(Up/In)1＝0.079 8 kV/kA。虽然这只是试验过程的中间环节，但可以说明，我们在市场上随机采购的试品质量是参差不齐的。

3.4.3 试品第二次Up预测试验

依据标准，对冷却后每只试品进行3次20 kA(8/20)电流冲击，测试Up。

将所得数据做Up-冲击电流In坐标图(kV-kA)，并叠加初始状态通道，如图4所示。

图4 第二次Up预测试验(Up/In)图

从图4可知，落点分布与上一试验图(系统Uc预测试验图)相似，没有大的变化，(Up/In)2＝0.081 1 kV/kA。

3.4.4 初始In冲击电流试验

对冷却至室温后的试品进行In20 kA(8/20)下的雷击电流冲击，正反极性各5次，依据标准实施试验冷却间歇；试验结果：所有试品均未见异常。

3.4.5 试品Imax冲击电流试验

依据标准对试品进行Imax下的雷击电流冲击，正反极性各一次，依据标准实施试验冷却间歇。试验结果见表1。由表1可以看出，有4只试品内部脱扣。

表1 对试品进行Imax 40 kA(8/20)正反极性各一次冲击

3.4.6 试品第三次Up测试试验

试品冷却至室温后，进行In20 kA(8/20)下的雷击电流冲击，将所得数据做Up-冲击电流In坐标图(kV-kA)，并叠加初始状态通道，如图5所示。

图5 第三次Up预测试验(初始Imax冲击电流正负各一次后测试残压)

图5中显示，除了4只脱扣试品，其余试品Up值均未有明显的变化，落点仍在初始通道内，其电气性能未受损坏，(Up/In)3＝0.082 7 kV/kA；[(Up/In)3-(Up/In)2]/(Up/In)3*%＝1.9%。可见，(Up/In)变化率只有1.9%，很小。

3.4.7 试品初始5 A预处理试验

依据标准中相关要求，在试品两端施加Uc电压，输出功率为5 A负载。在Uc正弦波的30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、360°实施In下的电流冲击，观察动作负载情况，依据标准实施试验冷却间歇。试品全部通过测试。

3.4.8 300 A动作负载循环试验

试品冷却至室温后，在两端施加Uc电压，输出功率为300 A负载。在Uc正弦波的30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、360°实施In下的电流冲击，观察动作负载情况，依据标准实施试验冷却间歇。

数据结果：试品全部通过测试。

3.4.9 1 500 A动作负载循环试验

试品冷却至室温后，在两端施加Uc电压，输出功率为1 500 A负载。在Uc正弦波的30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、360°实施In下的电流冲击，观察动作负载情况，依据标准实施试验冷却间歇。

数据结果见表2。由表2可知，有11只试品损坏起火，仅15只试品通过了试验。

表2 1 500 A动作负载循环试验数据

3.4.10 试品第四次Up测试试验

冷却至室温后，依据标准对试品进行三次In20 kA(8/20)下的雷击电流冲击，读取Up值，做Up-冲击电流In坐标图(kV-kA)，并叠加初始状态通道，如图6所示。

图6 第四次Up预测试验(1 500 A动作负载循环试验后，Uc385In冲击记录残压)

有11只试品未通过1 500 A动作负载循环试验；15只试品通过了全部测试。通过测试的15只试品，其Up在Up-冲击电流In坐标图(kV-kA)上的落点，一部分略有向上的变化，(Up/In)4＝0.083 4 kV/kA。

3.4.11 典型波形分析

从图7a可以看到线路波形在冲击前保持负载电压的正弦波形，冲击时SPD短路着火，线路电压归零，波形是接近零轴的直线；从图7b可以看出，冲击后SPD自恢复性能良好，线路电压波形恢复为负载电压波形；从图7c可以看出，冲击后SPD自恢复性能良好，线路电压波形恢复为负载电压波形。

图7 典型波形分析

4 试验总结

在工频1 500 A动作负载试验中，损坏着火均出现在0～90°工频角和180°～270°工频角，拆开损坏的试品，发现着火多数存在4个边角着火，也存在4个角着火。在通过1 500 A工频动作负载试验的产品中，也有6只脱扣未着火，拆开后发现MOV芯片有工频电流通过的微小痕迹，内部脱扣装置实现了负载电流的阻拦，SPD与负载电源脱离未发生着火。存在差异的原因，是由于试品的制作工艺、技术及配方的差异形成的。由试验数据分析得出，一部分试品通过了试验，而另一部分试品出现了着火损坏。低温焊锡丝、温度软金属、拉力弹簧的弹性系数、合金弹片的物理构成与弹性系数与负载电流的关系等都是影响动作负载SPD脱扣的原因。

通过试验，验证了在一定的负载电流条件下，雷电冲击配电系统，可以造成负载电流通过配电系统电涌保护器短路，引起起火，而内部脱扣装置正常动作切断负载电流则能够避免着火。