SPD的安全性對MOV的性能要求及相關檢驗方法探討

次仁卓嘎 登增然登 登增扎西

(西藏日喀則地區拉孜縣氣象局,西藏拉孜 857000)

SPD的安全性對MOV的性能要求及相關檢驗方法探討

次仁卓嘎 登增然登 登增扎西

(西藏日喀則地區拉孜縣氣象局,西藏拉孜 857000)

隨著GB18802.1-2002、GB50057等標準的普及,人們對SPD安全性的重視度越來越高。本文通過對限壓型SPD的常見故障原因進行分析,尤其是對低壓配電系統中SPD在單相接地故障等幾種故障情況下時的破壞原理進行分析。通過上述分析后,從安全檢測角度分析了在試驗時做好安全檢測的方法。

SPD 故障原因 安全檢測方法

1 引言

隨著GB18802.1-2002、GB50057、YD/T1235、GA173等系列標準的頒布及實施推廣，各地防雷法規的日益健全完善，電涌保護器(SPD)的應用越來越普及。然而同時因SPD著火引發火災的事例時有所聞，由于SPD常用于較重要的場合或設備的防雷安全保護，事故所造成的損失巨大，不少的生產廠商及用戶均為此付出了昂貴的代價，在個別地區甚至造成用戶拒用或行業禁用SPD的惡劣后果。在為用戶提供防雷安全保護的同時，若不切實解決好防雷產品自身的安全問題，再低的殘壓、再大的通流、再小的漏流等均毫無意義。以下就應用最為普及的限壓型SPD的自身安全及其使用的核心功能元件—MOV的性能要求與相關檢測方法進行分析。

2 限壓型SPD起火原因分析

符合規范的限壓型SPD大體上由MOV芯片、熱脫離保護機構、連接銅件、阻燃封裝外殼組成。顯然，SPD起火與MOV芯片緊密相關，要弄清楚SPD起火原因，就必須了解MOV的工作及失效原理。

2.1 MOV的工作及失效原理

電網系統正常運行時，防雷芯片(MOV)呈高阻態，不影響電網正常工作;當線路中因雷擊或操作引起浪涌過電壓時，MOV將以納秒級速度導通響應，迅速將過電流對地瀉放，把浪涌過電壓幅值限制在被保護設備允許承受的電平以下，使用電設備免受其害。浪涌過電壓瀉放后，MOV又恢復高阻態正常工作。

若短波浪涌能量太大，超過防雷芯片能承受的極限，容易導致MOV碎裂。若系統中出現持續性供電故障過電壓，超過防雷芯片能承受的極限，則會導致MOV持續發熱，此時若仍不能有效切斷電路，會進一步導致MOV被熱熔擊穿;而一旦MOV被熱熔擊穿，其電路等同于一個帶限流電阻的電弧放電回路[1]，極易起弧造成封裝材料燃燒起火等。

還有一種情況：強烈雷電浪涌與正常工頻電壓的聯合作用。持續強烈的雷電浪涌能量造成MOV急劇發熱(或者環境溫度太高，例如密封于鐵箱內在日光下暴曬)，若MOV動作電壓為負溫度特性且溫度系數大，有可能造成動作電壓(U1mA)大幅下降，此時正常的工頻電壓也相當于對MOV施加了一個極高的持續過電壓，造成MOV擊穿引發火災。

2.2 國內低壓供電系統易出現的幾種過電壓及其對MOV的影響

2.2.1 單相接地過電壓[1]

國內供電系統最常見。當供電系統中的某一相對地短路時，其他兩相的對地電壓(220V)即上升為線電壓(380V)。這將導致Uc選值偏低的共模SPD在較短時間內失效。只要過電壓持續時間不長、MOV的質量較好且U1mA≥510V，這種過電壓通常均能承受或只造成SPD脫扣動作，不會釀成其他嚴重后果。

2.2.2 高低壓共地耦合轉移過電壓

由于配電變壓器高壓和低壓共用一地，當高壓側發生通過PE的故障接地時，會出現一個幅值很高的過電壓，通過共用地耦合轉移到低壓系統，使得低壓供電系統出現幅值很高的轉移過電壓，此種過電壓幅值很高且持續時間長，易在數秒內在SPD的熱脫離機構尚未及動作前就已將MOV熱擊穿失效，易造成起弧、起火等。

2.2.3 失零過電壓

低壓供電系統的中性線由于各種原因斷線后，即產生失零過電壓。此時相電壓輸出變為線電壓輸出，各相電壓皆由不同的負載分布決定。此種情況下的過電壓有時達700V或更高，如此即使將SPD的最大允許工作電壓Uc選為420V(U1mA=680V±)，采用差模連接SPD中的MOV也將在數秒內被直接擊穿，熱脫離機構來不及動作，易造成起弧、起火等。

表1 高溫穩定性檢驗表

表2 暫時過電壓耐受特性檢驗表

3 對MOV的性能要求及相關檢測方法

3.1 對MOV的性能要求

顯然，作為瞬態浪涌過電壓保護器，我們必須要重視SPD的保護效果，選用殘壓低、通流量大的MOV芯片;但是同時我們更要注意SPD產品自身的安全性，防止在無雷擊情況下出現SPD的起火自燃及由此而引發火災，否則無法對用戶交待，對行業的發展必然產生負面影響。作為SPD的核心功能元件，對MOV如下四個方面都進行考核是必要的：

(1)8/20μS通流能力及殘壓：包含標稱放電電流和最大放電電流考核。對SPD中常用的34S型MOV，只要達到20kA×20次+40kA×2次、U20kA/U1mA≈2.5就可以了，不宜在單項指標上過多追求。(2)高溫穩定性：包含動作電壓U1mA在一定范圍內的溫度特性及其系數、泄漏電流的高溫穩定性。(3)暫時過電壓的耐受特性：此項指標應當根據實際情況，考核在暫時過電壓下MOV發熱熔脫焊點以切斷電路的能力。

3.2 高溫穩定性檢測方法探討

高溫穩定性主要考核芯片在較高溫度下的動作電壓及泄漏電流穩定性。MOV的老化失效與其負載荷電率緊密相關，荷電率的計

以如下三個指標來考核高溫穩定性：

一般而言，正溫度系數MOV的高溫穩定性更好(如表1）。

必須指出，在承受8/20μs沖擊后的高溫穩定性更加重要。

3.3 暫時過電壓耐受特性的檢測方法探討

暫時過電壓是由于供電故障而引起的持續性過電壓，作為瞬態浪涌過電壓保護器件的SPD對此是無能為力的。當系統中出現暫時過電壓時對SPD的要求要么是不動作，能夠承受(幅值較小時);要么是迅速脫離，切斷流經SPD的電路(幅值較高時)，不得起火燃燒。考慮到各SPD生產廠產品結構差異大、技術水平良莠不齊，我們認為采用如下方法對MOV在暫時過電壓下的脫離能力進行考核較為合適：將兩引出電極片用63A焊錫(183℃)與芯片銀面焊接好后連接導線，導線與芯片間施加200g外張力，施加1.1倍U1mA的交流電壓(有效值)，錫焊接處熔化、導線或電極片與芯片脫離接觸切斷電路。以芯片不出現擊穿或其它目視可見的機械損傷為合格。過程中應在芯片下方墊軟物以防止脫落時摔破損（如表2）。

同樣，考核承受8/20μS沖擊后的暫時過電壓耐受能力更加重要。

4 結語

作為瞬態浪涌過電壓保護器件，SPD不僅要重視其保護效果(要求較低的殘壓、較大的通流)，更要重視其自身的安全性能。在保護效果相差不大的情況下，應當優先選擇安全性能好的產品。對MOV的性能要求要綜合考慮保護效果、安全性能、壽命特性等，不能犧牲其它方面來過多追求某一方面。

[1]郭亞平等.氧化鋅壓敏電阻用于低壓供電系統的起火原因及解決對策[C].第十一屆壓敏學術年會暨海峽兩岸首次技術研討會?？?P25.