壓敏型SPD后備保護器的分析與研究

趙 學 軍

(上海電科臻和智能科技有限公司, 上海 201401)

0 引 言

隨著國民經濟的不斷發展,電涌保護器(SPD)已大量使用在各行各業,在防雷保護中具有重要的意義。然而SPD的狀態好壞直接影響到防雷效果,如果配置不當,將給所保護的設備帶來安全隱患。SPD故障的主因有大的雷擊電流和小的工頻電流,而現有的SPD后備保護裝置無法很好地兼顧這兩種保護功能,對SPD的過流故障保護存在嚴重的盲區。因此亟待需要一種能夠兼顧斷路器功能和工頻續流保護功能的方案。

1 壓敏型SPD失效分析

1.1 壓敏型SPD的工作特性

SPD并聯在電路上使用,其一端連接至電源線上,另一端連接至大地,以泄放電涌電流。其主要有兩種狀態。

(1) 正常高阻狀態。SPD在常規或在額定電壓下呈現高阻狀態,其阻值為兆歐級,在線路中相當于開路狀態。

(2) 低阻泄放狀態。當電涌或雷擊瞬態過電壓發生時SPD呈低阻狀態,起泄放電涌電流和限制瞬態過電壓的作用。當電涌過電壓或雷擊電涌過后,SPD立即會恢復至正常高阻狀態。

1.2 壓敏型SPD的內部結構特點

SPD主要以氧化鋅為原料的應用最為廣泛。國內外的防雷企業、專家、學者等經過多年對SPD的劣化研究發現:在SPD經多次電涌沖擊后,內部元件會逐漸老化。并通過試驗模擬SPD劣化的過程,試驗過程中氧化鋅壓敏電阻(MOV)內部晶粒有裂變融合,壓敏的電氣性能持續下降。

1.3 潛在失效的原因分析

SPD是一種保護性元件,產品在電網中將是長期帶電狀態,因此承受各種過電壓、過電流的侵襲而導致產品失效,其中突出的有小工頻電流和大雷擊電流的侵襲。

1.3.1 工頻小電流導致的失效

SPD是電壓敏感元件,當電壓超過一定閾值時會產生一定電流。而電網是復雜的綜合網絡,能產生多種過電壓現象。例如斷路器、開關等頻繁斷開或閉合時的操作過電壓;電磁閥、保護開關、變頻器、軟啟動器等頻繁啟動產生過電壓;電路中存在電感、電容等器件的耦合作用而產生的過電壓等;這些過電壓綜合作用將可能導致SPD失效。

1.3.2 雷擊電流導致的失效

當有雷電發生時,若在SPD承受范圍內的雷電流,電涌能被SPD安全泄放,而不會損壞;但是若雷電頻繁或雷擊能量特別大時,SPD無法承受在電涌泄放過程中產生的大量熱,容易出現產品脫扣或損壞,嚴重時可能導致爆炸。

1.4 模擬失效后果

MOV電氣參數劣化首先表現是電壓值降低;當電壓值低于電源電壓時,剩余電流急劇增大,溫升加劇。如異常電流大于5 A數秒以上時,會引發雪崩式短路,瞬間產生的熱量聚集過程快于散熱傳遞速度,達到壓敏電阻熱崩潰點,造成熔潰故障,甚至引發燃爆火災事故。實驗室重現燃爆試驗照片如圖1所示。

圖1 實驗室重現燃爆試驗照片

2 國家防雷設計規范標準要求

IEC 61643-12:2002、IEC 60034-5-534:2020以及GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》等防雷設計標準中推薦應用過電流保護器(如熔斷器和斷路器)與SPD串聯使用,作為SPD發生劣化短路失效時的后備過電流保護裝置[1-2]。

幾種SPD的后備保護方法如圖2所示。

圖2 幾種SPD的后備保護方法

2.1 熔斷器式的后備保護裝置

熔斷器的配置是按防雷器在8/20 μs波形下最大單次沖擊計算配置額定值,以實現對SPD的短路失效進行保護。在標準IEC 61643-12:2002,表P.1給出了熔斷器耐受沖擊能力的一些規格、尺寸的試驗測試數據。基于簡化公式的峰值電流典型值和實際測試值對比如表1所示。

表1 基于簡化公式的峰值電流典型值和實際測試值對比

熔斷器過流保護特點是結構簡單,附加殘壓相對于MCB較低,分斷能力較高。但常規熔斷器后備保護有SPD過流保護盲區,尤其是在電路存在工頻小電流時無法及時斷開電路,而且體積較大,不易實現故障遙信功能。

2.2 斷路器式的后備保護裝置

斷路器過流保護運用電磁脫扣和滅弧裝置,其電涌耐受能力相對較高。小型斷路器耐受沖擊電流如表2所示。

表2 小型斷路器耐受沖擊電流

MCB、MCCB均包含電磁脫扣器件,在雷電流通過時殘壓較高,降低SPD的電壓保護水平。同樣MCB的配置方式按SPD最大通流量來設計,以防止雷擊時誤脫扣。以上應用仍無法兼顧大的雷電電流和MOV劣化時的工頻故障小電流[3-4]。

另外,MCB分斷能力也存在一定局限性,即使MCB分斷能力能達到15 kA,但對于T1、T2級SPD安裝位置的預期短路電流,仍有無法安全分斷的風險。

因此,常規的MCB、熔斷器的后備保護裝置存在一定保護盲區。

3 新型后備保護器的研究與分析

標準中規定雷擊電流是波前時間為8 μs、半峰值時間為20 μs的沖擊電流,得到雷擊電流近似頻率為50 kHz。而工頻電流頻率為50 Hz,對應時間周期為20 μs。兩者之間頻率相差1 000倍。

利用雷電流與工頻續流的幅頻特性不同,設計了兩個通路,使有差異的兩種電流通過不同通路。根據其在電路傳輸產生的感抗為

XL=2πfL

其感抗也相差1 000倍。而且感抗不僅與頻率成正比,同時也與電感的感值成正比[5-6]。

3.1 小電流通道設計方案

根據實驗室測定,當壓敏電阻的工頻電流大于5 A數秒以上時,在幾秒內可能引起壓敏電阻燃爆。因此可以在小電流通道上設計熱雙金屬片裝置。熱雙金屬片是由兩個(或多個)具有不同熱膨脹系數的金屬或合金組元層復合在一起的材料。當電流通過此裝置時,熱雙金屬片彎曲,當達到一定行程時使之切斷電源,以達到脫離電網的目的。熱雙金屬片動作示意圖如圖3所示。

圖3 熱雙金屬片動作示意圖

具體設計方法是在電源的輸入端子依次連接動觸頭、執行機構、地短路整定值過電流線圈、熱雙金屬片、電感矢量模塊、輸出端子。設計電流為3 A,時間≤7 s。測試的工頻電流特性如圖4所示。

圖4 測試的工頻電流特性

3.2 雷擊電流設計方案

設計的目標為當電涌雷擊最大的電流Imax通過SPD與之配合的專用后備保護裝置時,專用后備保護裝置不應誤脫扣,使電氣設備防雷始終處于有效狀態。

具體設計方法是在電源的輸入端子依次連接放電型開關管、輸出端子。設計指標可根據不同的雷擊電流可分為TypeⅡ類型的20 kA、40 kA、60 kA、80 kA、100 kA、120 kA,以及TypeⅠ類型的25 kA等規格型號,可以與不同規格的SPD相匹配。雷擊電流通道實施示意如圖5所示。8/20 μs波形的20 kA、80 kA雷擊波形如圖6所示。

圖5 雷擊電流通道實施示意

圖6 8/20 μs波形的20 kA、80 kA雷擊波形

3.3 預期短路分斷能力設計方案

SPD的應用場合包括LPZ0、LPZ1、LPZ2等區域,與之對應的電網位置也有相應的預期短路分斷電流。SPD專用后備保護裝置的設計應滿足與之對應的預期短路分斷能力。初步設計預期短路分斷能力為100 kA。

具體的設計方法是利用小型斷路器的電磁脫扣器原理,當電流通過繞成環形的線圈時會產生電磁力,用以驅動斷開電路。小型斷路器電磁脫扣原理如圖7所示。在小型斷路器短路分斷試驗時,電流使環形線圈產生磁場,動鐵芯、靜鐵芯在磁場力作用下快速吸合,脫扣桿在動鐵芯的帶動下撞擊動觸頭機構,機構失去穩定狀態,最終使動、靜觸頭分開。

圖7 小型斷路器電磁脫扣原理

3.4 工頻小電流、雷擊大電流的有機整合

利用雷擊大電流(8/20 μs)與工頻小電流的幅頻特性不同(20 ms),設計了3層外殼結構,形成兩條通路。用第一層與第二層相互配合,實現工頻小電流通道,讓工頻小電流經過小電流通路,用以鑒別、判斷、分斷電路等功能;用第二層與第三層互相配合,實現雷擊大電流通道,讓雷電流經過此通路,用以滿足不同等級的雷電流泄放能力的要求。此通路在正常狀態下是開路狀態,當出現雷擊時,通過引導電路讓此通路導通,從而泄放掉雷電流。SPD專用后備保護裝置示意如圖8所示。

圖8 SPD專用后備保護裝置示意

SPD專用后備保護裝置串聯在SPD回路上,與其配合接入電網使用,作為SPD過電流的專用保護裝置。其設定的工頻小電流技術指標為3 A,雷擊大電流根據不同等級選擇不同的配置。

4 結 語

SPD常規后備保護裝置無法兼顧大的雷擊電流和小的工頻電流,當電源系統故障、SPD過流短路、工頻電流通過時,其電流值有可能達不到過流保護裝置的啟動值,過流保護裝置不動作,導致工頻電流持續通過,防雷元件發熱,SPD起火。若過流保護裝置的啟動值較小,雖能啟動,但難以抗擊雷電流的沖擊,導致SPD無法正常泄放雷電流。采用鑒流技術,將兩種電流區別對待,將其引導至不同的通道,針對性地分別處理。試驗數據表明,該方法能夠實現有效鑒別、判斷、分斷等功能。此外,兩種通路有機整合,應用到產品中。