電涌保護器熱脫扣電極結構設計對熱穩定可靠性影響的研究

雷全學 肖敏

摘 要：電涌保護器的熱穩定脫扣裝置是SPD短路過流保護的主要措施之一，SPD劣化短路時應該迅速脫離電網，避免前端電源設備損壞、起火等一系列問題發生。由于電網容量的不斷加大、新能源系統（光伏、風電）的推廣應用，線路電壓及電流呈增高增大趨勢，這對SPD故障時可靠脫離電網的技術要求越來越高。本文通過熱穩定試驗對比測試兩種不同的SPD氧化鋅閥片熱脫扣電極結構，通過結果分析結構設計對熱脫扣可靠性的影響，從而為SPD的結構提供設計建議，以便提升電源系統安全可靠性。

關鍵詞：熱脫扣結構；SPD熱穩定；SPD脫扣；脫扣電極

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）14-0183-02

現階段電涌保護器在電力、通信、新能源、建筑物領域得到廣泛應用，其運行的可靠性和安全性直接影響雷電防護性能。電涌保護器設計中的脫扣裝置熱穩定可靠性是一項關鍵的技術指標。浪涌保護裝置因遭受強大雷電沖擊或者持續運行老化后內部核心元件壓敏電阻（MOV）會劣化失效變為低阻或短路狀態，如果SPD不能迅速脫離電網將會導致本體或者周邊裝置起火燃燒，造成火災事故。熱脫扣結構是便于SPD短路后從電網迅速斷開的熱保護裝置。

SPD熱脫扣裝置按受熱方式主要分為直熱脫扣和旁熱脫扣。熱量通過SPD氧化鋅閥片金屬電極傳導至脫扣低溫點的方式為直熱脫扣。目前市面上大部分SPD都采用直熱脫扣方式，實際應用中，SPD脫扣不徹底和不脫扣的情況時有發生。針對上述問題，本研究從技術層面試驗分析SPD氧化鋅閥片電極結構，通過熱穩定對比實驗數據對比分析，為SPD熱脫扣穩定可靠性提供設計依據和理論支撐。

1 標準對SPD熱穩定測試的技術要求

SPD產品檢測試驗項目中，熱穩定試驗是安全性能驗證的一個重要項目。根據GB18802.1-2011標準規定：熱穩定試驗將試驗樣品連接到工頻電源，提高的電源電壓使SPD有電流流過[1]。考察SPD在通過過電流情況下達到熱平衡，在無法達到熱平衡后脫扣裝置是否可以準確動作；（SPD僅包含電壓開關型件的SPD不進行本試驗。）通信行業標準YD/T1235.2-2002對熱穩定試驗要求更為嚴格，SPD試驗電流相應為 5000、2500、1000、320、80、20mAr.m.s，電流持續流過，容許偏差為±10%[2]。每一電流值應持續一段時間，直到SPD達到熱平衡，即在10min內其溫度的增加值<2℃。如果SPD脫扣裝置動作，就中止該電流值的試驗。更新試品并繼續進行余下電流值試驗。在試驗過程中，不斷監測SPD的表面溫度和SPD流過的電流。試驗結果應滿足下述要求：

（1）SPD持續通過每一檔試驗電流等級時，都應能達到熱平衡或使其分離裝置動作；（2）在試驗期間，SPD的表面溫度應始終低于120℃；分離裝置動作后5min內，SPD的表面溫度應低于80℃；（3）如果SPD的分離裝置動作，則應對SPD施加2Uc的工頻電壓，持續1min，此時應無超過0.5mAr.m.s的電流流過SPD。

用于光伏系統的電涌保護器（SPD）性能要求和試驗方法GB/T 18802.31-2016對于以上兩者標準的熱穩定試驗要求更甚嚴格，除了以上兩者試驗相同標準外，增加了最后的續流遮斷，需繼續加電至少1min來檢查是否復燃，在該過程后，或在少于30s內加電到Ucpv，保持15min來檢查穩定性[3]。

2 SPD氧化鋅閥片與導電電極連接結構

2.1 單只MOV電極片結構

單只的MOV一般由一個基片（氧化鋅閥片）和兩個導電電極組成，如圖1所示，為增加焊接可靠性和減少接觸電阻，電極片材料一般為紫銅鍍銀或者紫銅熱浸錫工藝。在設計上實心圓孔結構圖2和中空回型結構圖3兩種方式。

2.2 工作原理

SPD脫扣裝置工作原理是當保護電路漏電流增大，氧化鋅發熱，熱量直接通過壓敏電阻的金屬引腳（電極）或者通過元件表面接觸以及空氣散熱等方式傳導至脫扣電極，脫扣電極受熱升溫，達到一定溫度時發生脫扣。而脫扣電極一般都是串聯在SPD保護電路中，一旦發生脫扣，即將SPD與電源回路斷開，保證設備的安全。

3 熱穩定測試

3.1 實驗方案及實驗儀器

實驗方案：熱脫扣點低溫焊錫熔點145℃，基片選擇同一品牌同一批次，將以上兩種不同電極結構的試品進行熱穩定試驗，對比其模塊脫扣面溫度分布和狀態。本次試驗依據標準：通信行業YD/T1235.2-2002，選取試驗流過電流5000、2500、1000、320mAr.m.s進行對比測試，通過數據記錄及分析得出不同電極的熱脫扣對熱穩定可靠性的影響。實驗儀器清單表1所示。

3.2 實驗數據記錄

脫扣電極熱穩定對比實驗數據（室溫23℃）如表2所示。

3.3 試驗數據分析

通過熱穩定試驗，為兩種結構樣品提供相同的試驗條件，在其過程中兩種結構的試品脫扣電極表現出的性能不盡相同，熱傳導效果明顯不同。圖4、圖5所示，圓孔實心電極與基片貼合方式熱度分布在電極整個面，傳導到低溫脫扣點速度較慢，影響了脫扣效果，提高了MOV熱擊穿、不脫扣的概率；圖6、圖7所示，回型結構電極與基片貼合方式熱量傳遞到低溫脫扣點的速度快，且集中，提高了MOV脫扣可靠性和安全性。

4 結語

在中低壓電涌保護器脫扣電極結構設計時，為提高其熱穩定可靠性，電極脫扣熱穩定可靠性能與電極片的貼合基片的表面積有關，適當減小電極與基片的貼合面積，脫扣的穩定性越好，迅速分離電路能力越強，從而有效地提高熱穩定可靠性。

參考文獻

[1]GB 18802.1-2011《低壓電涌保護器（SPD）第1部分：低壓配電系統的電涌保護器性能要求和試驗方法》[S].

[2]YD/T1235.2-2002.《通信局（站）低壓配電系統用電涌保護器測試方法》[S].

[3]GB/T 18802.31-2016.《低壓電涌保護器特殊應用（含直流）的電涌保護器第31部分：用于光伏系統的電涌保護器（spd）性能要求和試驗方法》[S].