基于不同组合方式下电源系统SPD的试验

2022-03-10陈慧赖亚胜陈聪

广东气象 2022年1期

陈慧，赖亚胜，陈聪

（1.肇庆市气象局，广东肇庆 526020；2.广东省气象公共服务中心，广东广州 510640）

雷击过电流破坏电气电子系统事件中，大部分都是从配电线路引入的。配电线路防过电压和防雷击电磁脉冲设计对电气电子系统的保护至关重要［1］。电源电涌保护器（SPD）的主要作用是在雷电浪涌通过电源线路入侵供电系统时对其能量进行及时有效的泄放，从而实现对后端敏感电子设备的有效保护［2］。

防雷击电磁脉冲中，通常设计多个不同类别和型号的SPD配合使用，力求达到前端SPD承担大多数雷电流的泄放任务，后端SPD进一步降低过电压保护水平［3］。近年来，学者们在相关领域取得一定的研究成果，王星等［4］研究了压敏电阻在不同配合使用条件下的老化规律；李祥超等［5］从理论与试验两个角度对气体放电管与压敏电阻的能量配合进行研究，提出了二者级联时，适当增加连接导线长度，能量配合效果更好。本研究通过SPD不同组合方式下的冲击试验并结合理论分析，测出每种组合冲击前后的静态参数，总结每种组合方式的优缺点及适用场合，实现设备得到最有效保护且经济合理的组合设计。

1 SPD内部结构及原理

1.1 电源系统SPD常用的元件

电源系统SPD中最常用的两种元件是压敏电阻和气体放电管。

（1）压敏电阻。压敏电阻是目前电源系统SPD中常用的具有非线性伏安特性的电阻器件，最常见的是氧化锌压敏电阻（MOV），主要作用是对电路过电压进行钳位，泄放雷电流以保护敏感器件。

优点：通流容量大（100 A～100 kA）、响应迅速，时间为ns级、低泄露电流、无工频续流。

缺点：寄生电容大，限制电压（箝位电压）较高，具有不稳定漏电流，低电压时漏电流较大，较易老化［6］。

（2）气体放电管。气体放电管是一种泄放雷电瞬时过电流和限制过电压作用的间隙式保护元件，管内有两个或两个以上电极并充有惰性气体，在无浪涌时呈现高阻抗，当出现电压浪涌时放电管两极被击穿突变为低阻抗［7］。

优点：通流容量大（1～100 kA）、极间电容小（不大于10 pF）。

缺点：击穿电压高且分散性较大、响应速度较慢（μs级）、存在续流现象。

1.2 电源系统SPD常用的组合方式

电源系统SPD常用的组合方式主要有4种：单个压敏电阻型、压敏电阻并联型、压敏电阻串联型、压敏电阻与气体放电管串联型。

对电源系统SPD几种常见的组合方式（压敏电阻型、压敏电阻并联型、压敏电阻串联型、气体放电管与压敏电阻串联型）在其标称通流容量条件下用8/20μs电流波冲击，测出各自的残压和通流并对数据进行分析。

2 SPD在不同组合方式下的试验结果

对各种组合方式在其标称通流容量条件下进行了冲击，实验所用压敏电阻和气体放电管的型号分别为ZOV 25D621k、SU7 090L 0509，压敏电阻的标称通流容量In为7.5 kA，压敏电压U1mA为620 V；气体放电管的直流放电电压为90 V，通流容量In为5 kA。

该次实验采用组合波发生器模拟输出8/20 μs电流波对各SPD组合进行冲击实验，每组试验重复2次，得出的结果如表1所示（试验数据为2次结果的平均值）。

表1 各组合冲击前后的静态参数以及冲击残压和通流

根据表1绘制出的各种组合方式下的残压和通流容量直方图如图1所示，可以明显的看出，两个压敏电阻串联时的残压最高且其通流最小，而两个压敏电阻并联时的残压最低（不考虑单个放电管，因为不单独用放电管做为保护器件），且其通流最大［8］。

图1 各组合冲击后的残压（a）和通流（b）

2.1 压敏电阻并联试验结果

由表1可见，两个压敏电阻并联与单个压敏电阻相比较可发现残压变小，而漏流和通流容量变大。从压敏电阻的等效电路图来分析（图2），R为压敏电阻的泄漏电阻，C为其固有电容，系统正常工作时，压敏电阻的泄漏电阻很大，泄漏电流很小。当将两个压敏电阻并联时，并联阻抗减小，漏电流增大，通流容量也增大，此方式的最大优点是它的大通流容量［9］。

图2 压敏电阻等效电路图

从保护可靠性分析，采用多个压敏电阻并联比单个压敏电阻更具优势。多次受浪涌电流冲击后压敏电阻易损坏，多个压敏电阻并联可实现对被保护设备的多重保护，即使其中一两个压敏电阻被损坏，仍可负担起保护任务，还可减缓各压敏电阻的性能退化；其次，多个压敏电阻并联阻抗较单个压敏电阻显著下降，残压减小，进而暂态过电流的泄放量增加，箝位电压减小。然而，若器件的伏安特性、电气性能一致性配合不好，易造成冲击电流集中从某一个压敏片泄放入地，而其它压敏电阻分担的电流很少，导致承担大部分冲击电流的压敏片性能劣化，泄漏电流逐渐增大，长期以往器件过度发热绝缘性能被破坏，对系统构成威胁，而且多压敏电阻的并联会引起整个支路的寄生电容升高，严重影响高频率电子系统的保护工作。因此，并联压敏电阻数量不宜超过3片，过多反而给电气电子系统的保护带来不利影响。

一般来说，多个压敏电阻并联适用于保护存在大暂态过电流的电路，对普通电路没有明显优势且增加了保护成本，一般电路可采用单个压敏电阻进行保护。

2.2 压敏电阻串联试验结果

两个压敏电阻串联冲击后，与单压敏电阻比较，其通流容量有所减小，但残压几乎是单压敏电阻的2倍，这是因为两压敏电阻串联后它们的电阻是单个时的2倍，所以在冲击电流不变的情况下，残压翻倍。因此，压敏电阻串联一般比较少用，可用于后级保护工作电压较高而单个压敏电阻的压敏电压低于工作电压的设备。

2.3 压敏电阻与气体放电管串联试验结果

压敏电阻与气体放电管串联时，残压相对单个压敏电阻单独保护时稍高，通流量增大，无漏电流，但气体放电管有电弧区续流的致命缺点。同时，压敏电阻自带的寄生电容，使它在交流电源系统下运行时产生较大的泄漏电流，以寄生电容为2 nF的压敏电阻为例，在室内交流电源线路中可产生约0.14 mA的泄漏电流，对部分系统设备运行构成影响。但将气体放电管与压敏电阻串联对系统进行保护，既可以克服压敏片寄生电容产生的泄漏电流，减缓压敏电阻性能的衰退，又可以有效地切断放电管续流。因为在串联组合支路中在无浪涌时呈现高阻抗的气体放电管，充当开关将压敏电阻与系统隔离开，避免支路中产生泄漏电流，有效地减缓压敏电阻性能劣化；而压敏电阻起着阻断续流的作用，在暂态过电压过后，它立即恢复高阻状态，从而切断气体放电管的续流［10］。但是，这类组合的SPD反应时间变长（为压敏电阻和气体放电管反应时间之和）。这种组合方式适用于一些需要长期可靠的电涌保护，而对SPD响应时间要求不太高的电路中。

2.4 压敏电阻劣化试验

由表1可知，压敏电阻在不同电压冲击后，漏电流全部增大，说明压敏电阻性能已经逐渐劣化。因此，可以假设：漏电流会随着冲击电压的增加而增大，为了验证这个猜测，对一组并联的压敏电阻（记为1和2）在组合波发生器模拟输出不同的8/20μs电流波下进行了连续冲击，每次冲击前后静态参数变化如表2所示，由表2可以看出，随着冲击电压的增加，两压敏电阻的漏电流均在增加，直到冲击电压达到14 kV时，压敏电阻2的漏电流已超过1 mA，随即用万用表测出压敏电阻2已经损坏（阻值趋于0），证明经过几次超过其标称通流量的电流冲击后，压敏电阻性能迅速恶化直至损坏［11］。由此可见电源系统中，压敏电阻型SPD寿命有限，应定期检测，如果发现损坏，应立即更换［12］。