SPD防雷專用后備保護器的研究

1.1 壓敏型SPD的工作特性

      電涌保護器，簡稱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，用泄放電涌電流。其主要有兩種狀態。

    （1）正常高阻狀態：電涌保護器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浪涌過后，電涌保護器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

      電涌保護器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，實驗過程中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

      因電涌保護器是一種保護性元件，產品在電網中將是長期帶電狀態，因此將會承受各種過電壓、過電流的侵襲而導致產品失效，其中尤其突出的有小的工頻電流和大的雷擊電流的侵襲。

1.3.1小的工頻電流導致的失效

      電涌保護器是電壓敏感元件，當電壓超過一定的閾值時，就會產生一定的電流。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的過程中產生的大量的熱，就容易出現了產品脫扣或損壞，嚴重時可能導致爆炸。

1.4 模擬失效后果

      氧化鋅壓敏電阻MOV電氣參數劣化首先表現是UC值降低；當UC值低于電源電壓時，漏電流就會急劇增大，溫升加劇。如異常電流大于5A數秒以上時，會引發雪崩式短路，瞬間產生的熱量的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。如圖1所示為實驗室測試燃爆實驗圖片。

圖1 實驗室重現燃爆的試驗照片

      防雷設計規范標準明確推薦應用SPD后備保護：IEC 61643-12、IEC60034-5-534以及GB-50057-2010版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）和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。

      目前SPD后備保護基本方法有如圖2所示：

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8/20us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IEC61643-12，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?；诤喕降姆逯惦娏鞯湫椭岛蛯嶋H測試值對比如表 1 所示。

      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

      斷路器過流保護由于運用了電磁脫扣和滅弧裝置，其電涌耐受能力相對較高。斷路器式的后備保護裝置選型可參考如表2所示。

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

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

      因此，常規的MCB、FUSE的后備保護裝置存在一定的保護盲區。

      標準中規定雷擊電流是波前時間為8μs、半峰值時間為20μs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20μs。兩者之間頻率相差1000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，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。

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。

3.2 雷擊電流設計方案

      設計的目標為當浪涌雷擊最大的電流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Type II類型的20kA、40kA、60kA、80kA、100kA、120kA，以及Type I類型的25kA等規格型號，可以與不同規格的電涌保護器相匹配。雷擊電流通道實施示意如圖 5 所示。

3.3 預期短路分斷能力設計方案

      SPD的應用場合可以在各種類型，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的專用后備保護裝置的設計也應滿足與之對應的預期短路分斷能力。初步設計目標為預期短路分斷能力為100kA。

      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，就會產生電磁力，用以驅動斷開電路。如圖9所示，它由環形線圈、動鐵芯、靜鐵芯、彈簧、脫扣桿等部件組成。在小型斷路器的短路分斷實驗時，電流使環形線圈產生磁場，動、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。短路分斷實驗數據如圖7所示。

      在充分分析SPD的失效機理后，分別針對不同失效電流提出具有針對性的解決方案。但是如何將這兩種方案有機的整合成一個合格的產品是非常大的難題。本設計是利用雷擊大電流（8/20us）與工頻小電流的幅頻特性不同（20ms），設計了三層的外殼結構，形成兩條通路。用第一層與第二層相互配合，實現工頻小電流的通道，讓工頻小電流經過此小電流通路，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。

      SPD專用后備保護裝置的應用是串聯在SPD的回路上，與其配合接入電網使用，作為SPD的過電流的專用保護裝置。其設定的工頻小電流技術指標為3A，雷擊大電流可根據不同的等級可選擇不同的配置。

      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。此外，本文又將兩種通路有機整合到一個產品中，實現了由理論到實踐的過程。

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