一種高性能電源電涌保護器的設計

黃克儉，邳 瑩，戴爭鳴，劉克穩，黃丁誠

（1.中國氣象局氣象干部培訓學院湖北分院，湖北武漢 430074；2.湖北省防雷中心，湖北武漢 430074；3.武漢強寶科技有限公司，湖北武漢 430000）

在低壓配電系統的雷電防護中，金屬氧化物壓敏電阻（MOV）應用最多[1-7]。采用壓敏電壓過低的MOV，影響其工作的穩定性，采用壓敏電壓較高的MOV，又會對SPD 的電壓保護水平產生影響[8]。因此，在低壓配電系統中一般采用多級電源SPD 防護，各級之間需滿足一定的距離要求[9-14]。然而，對于狹窄或孤立區域的低壓配電線路防護（如移動基站、高山或孤島雷達或氣象站等）無法設置多級SPD，且這些地方一般多為雷電活動頻繁區域。單獨設置一級SPD 無法同時滿足通流量大、殘壓低且響應時間快的要求。為此，設計了一種工作穩定、通流量大且殘壓低的高性能電源SPD，以滿足狹窄或孤立區域的電源系統防護要求。

1 設計思路

雷電流由一個或多個不同的雷擊組成，其中短時間雷擊的波形如圖1 所示[15]，它分為上升沿和下降沿兩大部分，因波頭上升沿陡，時間短，而下降沿部分下降平緩，其主要能量分布在下降沿部分，圖1中I表示雷電流的峰值。

圖1 雷電流波形圖

針對雷電流特征，利用MOV、放電間隙、氣體放電管、瞬態電壓抑制二極管（TVS）等各非線性元件的特點，采用多器件、多通道組合成的一體化拓樸電路，分別對雷電進行有序吸收與釋放。由響應速度快的非線性元件在雷電波的上升沿時快速響應，在雷電波下降沿時由通流容量大、殘壓低的非線性元件來吸收和釋放，從而使SPD 的性能滿足通流量大、殘壓低且響應時間快的要求。其原理方框圖如圖2所示，它由波頭快速響應通道、能量吸收預發通道、能量釋放通道三通道組成。

圖2 高性能電源SPD原理方框圖

2 技術方案

按照上述的設計思路，高性能電源SPD 主保護電路設計如圖3 所示。其中，波頭快速響應通道由TVS、電阻R1、金屬氧化物壓敏電阻器MOV2 組成，其主要任務是利用瞬態電壓抑制二極管的快速響應特點，在雷電波波頭來臨時快速響應；能量吸收預發通道由金屬氧化物壓敏電阻器MOV1、電阻R2、金屬氧化物壓敏電阻器MOV2 組成。其主要是起承上啟下作用。在波頭快速響應通道響應后，當雷電波電壓上升至金屬氧化物壓敏電阻器MOV1 的壓敏電壓時，能量吸收預發通道開始響應導通，釋放消耗波頭能量，并為能量釋放通道的導通創造條件；能量釋放通道由金屬氧化物壓敏電阻器MOV1、氣體放電管GDT 組成，其主要任務是吸收釋放雷電波的能量，當能量預發通道電壓上升至放電管擊穿導通電壓后，能量釋放通道完全響應導通，釋放雷電波下降沿部分的能量。

圖3 高性能電源SPD主保護電路圖

電路中的電阻R1、R2，分別用于波頭快速響應通道與能量吸收預發通道電路的限流，限制過大的電流流過波頭吸收通道與能量吸收預發通道上各元器件，對電路起到保護作用。金屬氧化物壓敏電阻器MOV2 為波頭快速響應通道與能量吸收預發通道的共同導通通道，該元件的壓敏電壓U1mV取適當的值，使整個電源SPD 的最大持續運行電壓達到在較大電源波動情況下能穩定工作的能力，該高性能電源SPD 的壓敏電壓U1mV設計為不小于620 V，即該高性能電源SPD 的Uc取值不小于385 V。由于金屬氧化物壓敏電阻器MOV2 主要吸收波頭能量，通流參數不必取大，為此，取標稱放電電流為5 kA 的MOV 閥片。金屬氧化物壓敏電阻器MOV1 為兩組并聯標稱放電電流In為20 kA 的MOV 閥片，氣體放電管GDT 為大功率的兩組并聯氣體放電管，因MOV1 與GDT 串聯，故MOV1 的壓敏電壓可取比金屬氧化物壓敏電阻單獨使用時相對較小的值。由于氣體放電管導通后兩端電壓很低，通過選擇MOV1 的壓敏電壓及通流量和放電管擊穿導通值及通流量，使能量釋放通道的端電壓被鉗位在較低水平，以實現整個電源SPD 的高通流、低殘壓的要求。

因金屬氧化物壓敏電阻存在老化問題，嚴重的會起火燃燒。為此，在金屬氧化物壓敏電阻器MOV1 和MOV2 上采取過熱保護措施。具體方法是在MOV1 和MOV2 上各串聯一貼片熱保險絲AUPO。當金屬氧化物壓敏電阻器因老化出現過熱情況時，貼片保熱保險絲AUPO 熔斷，將金屬氧化物壓敏電阻器從電路中切除，從而不影響低壓配電系統的正常供電。

3 試驗與分析

為使設計的高性能電源SPD 各元件能良好地協調配合，實現總體設計功能，對其設計產品進行了沖擊性能測試，以驗證和修訂各元器件參數的取值。為驗證該高性能電源SPD 具有低限制電壓（殘壓）的性能，依照GB18802.1-2011[16]的標準，對該產品進行了限制電壓（殘壓）的測試。圖4-6 分別為20、40、60 kA 8/20 μs 沖擊電流下的殘壓波。

圖4 高性能電源SPD 20 kA 8/20 μs沖擊電流下的殘壓波形

圖5 高性能電源SPD 40 kA 8/20 μs沖擊電流下的殘壓波形

圖6 高性能電源SPD 60 kA 8/20 μs沖擊電流下的殘壓波形

為與常用的限壓型電源SPD 在限制電壓（殘壓）性能方面進行比較，選用了In為20、40、60 kA，Uc為385、420 V，標稱電壓保護水平Up在1.5～2.5 kV 之間的多品種電源SPD 作為試品，對其進行限制電壓（殘壓）的測試，測試20、40、60 kA 8/20 μs 沖擊電流下的殘壓波如圖7-9 所示。

圖7 某In=20 kA、Up=2.2 kV、Uc=385 V的電源SPD20 kA8/20 μs沖擊電流下的殘壓波形

圖8 某In=40 kA、Up=2.2 kV、Uc=385 V的電源SPD40 kA 8/20 μs沖擊電流下的殘壓波形

圖9 某In=60 kA、Up=2.5 kV、Uc=385 V的電源SPD60 kA 8/20 μs沖擊電流下的殘壓波形

上述兩種試品的殘壓試驗數據統計結果如表1所示。

表1 殘壓沖擊試驗統計表

從表1 可以看出，設計的高性能電源SPD 相比于Uc/U1mA為385/621 V的SPD和Uc/U1mA為420 V/681 V的SPD，其殘壓在20、40、60 kA 沖擊電流情況下分別下降33%和41%、39%和45%、35%和41%。

為驗證該高性能電源SPD 具有高通流量的性能，對多個高性能電源SPD 進行了通流能力的測試。具體方法是以60 kA 為起點逐步升級沖擊電流值對其進行沖擊試驗，每次沖擊的時間間隔以試品冷到環境溫度為準。其結果如下：高性能電源SPD均可承受兩次以上的100 kA 8/20 μs 沖擊電流的沖擊，最高可達110 kA。圖10 為110 kA 8/20 μs 沖擊電流下的電流電壓波形。

圖10 高性能電源SPD 110 kA 8/20 μs沖擊電流下的電流電壓波形

因高性能電源SPD 主放電通道采用的是40 kA的MOV，因此與In=40 kA 的電源SPD 進行比較，常用的單模塊限壓型SPD 的通流能力基本與標稱的最大8/20 μs 沖擊電流Imax相符，最大僅能達到80 kA。因此，該高性能電源SPD 具有較高的通流能力。

4 結論

1）該高性能電源SPD 利用各種非線性元件的特點，采用多器件、多通道組合成的一體化拓樸電路，分別對雷電進行有序吸收與釋放。從而在較高持續運行電壓U（c該高性能電源SPD 最大持續運行電壓Uc不小于385 V）條件下，使SPD 達到通流量大且殘壓低的性能。

2）殘壓沖擊試驗表明，高性能電源SPD 在20、40、60 kA8/20 μs 沖擊電流情況下平均殘壓分別為1.11 kV、1.41 kV、1.65 kV。相比 于Uc為385、420 V 的SPD，其分別下降33%和41%、39%和45%、35%和41%。

3）通流沖擊試驗表明，高性能電源SPD 可承受兩次以上的100 kA 8/20 μs 沖擊電流的沖擊，最大通流能力可達110 kA。