SPD后備保護(hù) | 壓敏型SPD后備保護(hù)器的分析與研究
發(fā)布日期:
2021-11-09

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摘要



由于常規(guī)SPD的后備保護(hù)裝置存在嚴(yán)重的保護(hù)盲區(qū),通過(guò)研究雷電流和工頻電流的幅度頻率的特性,采用兩條平行的通路的方式,對(duì)各種電流實(shí)現(xiàn)選擇性通過(guò)和分?jǐn)?,能有效彌補(bǔ)這一缺陷。最后又將其有機(jī)地整合成產(chǎn)品,應(yīng)用到實(shí)踐中。


關(guān)鍵詞:電涌保護(hù)器;后備保護(hù)裝置;雷電流;工頻電流


引言

? ? ? 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,電涌保護(hù)器(SPD)早已大量使用在各行各業(yè),在防雷保護(hù)中具有重要的意義。然而SPD的狀態(tài)好壞就直接影響到防雷效果,配置不當(dāng)將給所保護(hù)的設(shè)備帶來(lái)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(xiàn)有的SPD后備保護(hù)裝置無(wú)法很好地兼顧這兩種保護(hù)功能,對(duì)SPD的過(guò)流故障的保護(hù)存在嚴(yán)重的盲區(qū)。因此亟待需要一種能夠兼顧斷路器功能和工頻續(xù)流保護(hù)功能的方案。


01

壓敏型電涌保護(hù)器失效分析



1.1 壓敏型SPD的工作特性

? ? ? 電涌保護(hù)器,簡(jiǎn)稱SPD。并聯(lián)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(tài)。

? ? (1)正常高阻狀態(tài):電涌保護(hù)器在常規(guī)或在額定電壓下呈現(xiàn)高阻狀態(tài),其阻值為兆歐級(jí),在線路中相當(dāng)于開(kāi)路狀態(tài)。

? ? (2)低阻泄放狀態(tài):當(dāng)電涌或雷擊瞬態(tài)過(guò)電壓發(fā)生時(shí)SPD呈低阻狀態(tài),起泄放電涌電流和限制瞬態(tài)過(guò)電壓的作用。當(dāng)電涌過(guò)電壓或雷擊浪涌過(guò)后,電涌保護(hù)器立即會(huì)恢復(fù)至正常高阻狀態(tài)。


1.2 壓敏型SPD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

? ? ? 電涌保護(hù)器主要以氧化鋅為原料的應(yīng)用最為廣泛。國(guó)內(nèi)外的防雷企業(yè)、專家、學(xué)者等經(jīng)過(guò)多年對(duì)SPD的劣化研究發(fā)現(xiàn):在SPD經(jīng)多次電涌沖擊后,內(nèi)部元件會(huì)逐漸老化。并通過(guò)試驗(yàn)?zāi)MSPD劣化的過(guò)程,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中MOV內(nèi)部晶粒有裂變?nèi)诤?,壓敏的電氣性能持續(xù)下降。

???

1.3 潛在失效的原因分析

? ? ? 因電涌保護(hù)器是一種保護(hù)性元件,產(chǎn)品在電網(wǎng)中將是長(zhǎng)期帶電狀態(tài),因此將會(huì)承受各種過(guò)電壓、過(guò)電流的侵襲而導(dǎo)致產(chǎn)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(dǎo)致的失效

? ? ? 電涌保護(hù)器是電壓敏感元件,當(dāng)電壓超過(guò)一定的閾值時(shí),就會(huì)產(chǎn)生一定的電流。而電網(wǎng)是復(fù)雜的綜合網(wǎng)絡(luò),能產(chǎn)生多種過(guò)電壓現(xiàn)象。例如斷路器、開(kāi)關(guān)等頻繁斷開(kāi)或閉合時(shí)的操作過(guò)電壓;電磁閥、保護(hù)開(kāi)關(guān)、變頻器、軟啟動(dòng)器等頻繁啟動(dòng)產(chǎn)生過(guò)電壓;電路中存在電感、電容等器件的耦合作用產(chǎn)生的過(guò)電壓等;這些過(guò)電壓綜合作用將可能導(dǎo)致SPD失效。


1.3.2雷擊電流導(dǎo)致的失效

? ? ? 當(dāng)有雷電發(fā)生時(shí),若在SPD承受范圍內(nèi)的雷電流,電涌能被SPD安全泄放,而不會(huì)損壞;但是若雷電頻繁或雷擊能量特別大時(shí),SPD無(wú)法承受在電涌泄放的過(guò)程中產(chǎn)生的大量的熱,就容易出現(xiàn)了產(chǎn)品脫扣或損壞,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致爆炸。


1.4 模擬失效后果

? ? ? 氧化鋅壓敏電阻MOV電氣參數(shù)劣化首先表現(xiàn)是UC值降低;當(dāng)UC值低于電源電壓時(shí),漏電流就會(huì)急劇增大,溫升加劇。如異常電流大于5A數(shù)秒以上時(shí),會(huì)引發(fā)雪崩式短路,瞬間產(chǎn)生的熱量的聚集過(guò)程快于散熱傳遞速度,達(dá)到壓敏電阻熱崩潰點(diǎn),造成熔潰故障,甚至引發(fā)燃爆火災(zāi)事故。如圖1所示為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試燃爆實(shí)驗(yàn)圖片。

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圖1 實(shí)驗(yàn)室重現(xiàn)燃爆的試驗(yàn)照片


02

國(guó)家防雷設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求



? ? ? 防雷設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)明確推薦應(yīng)用SPD后備保護(hù):IEC 61643-12、IEC60034-5-534以及GB-50057-2010版等防雷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中推薦應(yīng)用過(guò)電流保護(hù)器(如熔斷器和斷路器)和SPD串聯(lián)使用作為SPD發(fā)生劣化短路失效時(shí)的后備過(guò)電流保護(hù)裝置。

? ? ? 目前SPD后備保護(hù)基本方法有如圖2所示:


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圖2 幾種SPD的后備保護(hù)方法



2.1 熔斷器式的后備保護(hù)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(jì)算配置額定值,以實(shí)現(xiàn)對(duì)SPD的短路失效進(jìn)行保護(hù)。在標(biāo)準(zhǔn)IEC61643-12,表P.1給出了熔斷器耐受沖擊能力的一些規(guī)格、尺寸的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)?;诤?jiǎn)化公式的峰值電流典型值和實(shí)際測(cè)試值對(duì)比如表 1 所示。

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? 熔斷器過(guò)流保護(hù)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,附加殘壓相對(duì)于MCB較低,分?jǐn)嗄芰^高。但常規(guī)熔斷器后備保護(hù)有SPD過(guò)流保護(hù)盲區(qū),尤其是在電路存在工頻小電流時(shí),無(wú)法及時(shí)斷開(kāi)電路。而且體積較大,不易實(shí)現(xiàn)故障遙信功能。


2.2 斷路器式的后備保護(hù)裝置

? ? ? 斷路器過(guò)流保護(hù)由于運(yùn)用了電磁脫扣和滅弧裝置,其電涌耐受能力相對(duì)較高。斷路器式的后備保護(hù)裝置選型可參考如表2所示。

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由于MCB、MCCB均包含電磁脫扣器件,在雷電流通過(guò)時(shí)殘壓較高,降低了SPD的電壓保護(hù)水平。同樣MCB的配置方式也只是按SPD最大通流量來(lái)設(shè)計(jì),以防止雷擊時(shí)誤脫扣。以上應(yīng)用,依然無(wú)法兼顧大的雷電電流和MOV劣化時(shí)的工頻故障小電流。

? ? ? 還有MCB的分?jǐn)嗄芰σ泊嬖谝欢ǖ木窒扌?,即使MCB的分?jǐn)嗄芰δ苓_(dá)到15kA,但對(duì)于T1、T2級(jí)SPD安裝位置的預(yù)期短路電流而言,依然有無(wú)法安全分?jǐn)嗟娘L(fēng)險(xiǎn)。

? ? ? 因此,常規(guī)的MCB、FUSE的后備保護(hù)裝置存在一定的保護(hù)盲區(qū)。



03


新型后備保護(hù)器的研究與分析



? ? ? 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定雷擊電流是波前時(shí)間為8μs、半峰值時(shí)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(duì)應(yīng)時(shí)間周期為20μs。兩者之間頻率相差1000倍。

? ? ? 利用雷電流與工頻續(xù)流的幅頻特性不同,設(shè)計(jì)了兩個(gè)通路,使有差異的兩種電流通過(guò)不同通路。根據(jù)其在電路傳輸產(chǎn)生的感抗為

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? ? ? 其感抗也相差 1 000 倍。而且感抗不僅與頻率成正比,同時(shí)也與電感的感值成正比。


3.1 小電流通道設(shè)計(jì)方案

? ? ? 根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定,當(dāng)壓敏電阻的工頻電流大于 5 A 數(shù)秒以上時(shí),在幾秒內(nèi)可能引起壓敏電阻燃爆。因此可以在小電流通道上設(shè)計(jì)熱雙金屬片裝置。熱雙金屬片是由兩個(gè)( 或多個(gè)) 具有不同熱膨脹系數(shù)的金屬或合金組元層復(fù)合在一起的材料。當(dāng)電流通過(guò)此裝置時(shí),熱雙金屬片彎曲,當(dāng)達(dá)到一定行程時(shí)使之切斷電源,以達(dá)到脫離電網(wǎng)的目的。熱雙金屬片動(dòng)作示意圖如圖 3 所示。

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? ? 具體設(shè)計(jì)方法是在電源的輸入端子依次連接動(dòng)觸頭、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、地短路整定值過(guò)電流線圈、熱雙金屬片、電感矢量模塊、輸出端子。設(shè)計(jì)電流為 3 A,時(shí)間 ≤7 s。測(cè)試的工頻電流特性如圖 4所示。

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3.2 雷擊電流設(shè)計(jì)方案

? ? ? 設(shè)計(jì)的目標(biāo)為當(dāng)浪涌雷擊最大的電流Imax通過(guò)SPD與之配合的專用后備保護(hù)裝置時(shí),專用后備保裝置不應(yīng)誤脫扣,使電氣設(shè)備防雷始終處于有效狀態(tài)。

具體設(shè)計(jì)方法是在電源的輸入端子依次連接放電型開(kāi)關(guān)管、輸出端子。設(shè)計(jì)指標(biāo)可根據(jù)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(guī)格型號(hào),可以與不同規(guī)格的電涌保護(hù)器相匹配。雷擊電流通道實(shí)施示意如圖 5 所示。

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3.3 預(yù)期短路分?jǐn)嗄芰υO(shè)計(jì)方案

? ? ? SPD的應(yīng)用場(chǎng)合可以在各種類型,包括LPZ0、LPZ1、LPZ2等區(qū)域,與之對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)位置也有相應(yīng)的預(yù)期短路分?jǐn)嚯娏鳌PD的專用后備保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)也應(yīng)滿足與之對(duì)應(yīng)的預(yù)期短路分?jǐn)嗄芰?。初步設(shè)計(jì)目標(biāo)為預(yù)期短路分?jǐn)嗄芰?00kA。

? ? ? 具體的設(shè)計(jì)方法是利用小型斷路器的電磁脫扣器原理,當(dāng)電流通過(guò)繞成環(huán)形的線圈時(shí),就會(huì)產(chǎn)生電磁力,用以驅(qū)動(dòng)斷開(kāi)電路。如圖9所示,它由環(huán)形線圈、動(dòng)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?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)時(shí),電流使環(huán)形線圈產(chǎn)生磁場(chǎng),動(dòng)、靜鐵芯在磁場(chǎng)力作用下快速吸合,脫扣桿在動(dòng)鐵芯的帶動(dòng)下撞擊動(dòng)觸頭機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)失去穩(wěn)定狀態(tài),最終使動(dòng)、靜觸頭分開(kāi)。短路分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。

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? 在充分分析SPD的失效機(jī)理后,分別針對(duì)不同失效電流提出具有針對(duì)性的解決方案。但是如何將這兩種方案有機(jī)的整合成一個(gè)合格的產(chǎn)品是非常大的難題。本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了三層的外殼結(jié)構(gòu),形成兩條通路。用第一層與第二層相互配合,實(shí)現(xiàn)工頻小電流的通道,讓工頻小電流經(jīng)過(guò)此小電流通路,用以鑒別、判斷、分?jǐn)嚯娐返裙δ?;用第二層與第三層互相配合,實(shí)現(xiàn)雷擊大電流通道,讓雷電流經(jīng)過(guò)此通路,用以滿足不同等級(jí)的雷電流泄放能力的要求。此通路在正常狀態(tài)下是開(kāi)路狀態(tài),當(dāng)出現(xiàn)雷擊時(shí),通過(guò)引導(dǎo)電路讓此通路導(dǎo)通,從而泄放掉雷電流。SPD專用后備保護(hù)裝置示意如圖8所示。


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圖8 SPD 專用后備保護(hù)裝置示意



? SPD專用后備保護(hù)裝置的應(yīng)用是串聯(lián)在SPD的回路上,與其配合接入電網(wǎng)使用,作為SPD的過(guò)電流的專用保護(hù)裝置。其設(shè)定的工頻小電流技術(shù)指標(biāo)為3A,雷擊大電流可根據(jù)不同的等級(jí)可選擇不同的配置。



04


結(jié)語(yǔ)



? ? ? SPD 常規(guī)后備保護(hù)裝置無(wú)法兼顧大的雷擊電流和小的工頻電流,當(dāng)電源系統(tǒng)故障、SPD 過(guò)流短路、工頻電流通過(guò)時(shí),其電流值有可能達(dá)不到過(guò)流保護(hù)裝置的啟動(dòng)值,過(guò)流保護(hù)裝置不動(dòng)作,導(dǎo)致工頻電流持續(xù)通過(guò),防雷元件發(fā)熱,SPD起火。若過(guò)流保護(hù)裝置的啟動(dòng)值較小,雖能啟動(dòng),但難以抗擊雷電流的沖擊,導(dǎo)致 SPD 無(wú)法正常泄放雷電流。采用鑒流技術(shù),將兩種電流區(qū)別對(duì)待,將其引導(dǎo)至不同的通道,針對(duì)性地分別處理。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,該方法能夠?qū)崿F(xiàn)有效鑒別、判斷、分?jǐn)嗟裙δ堋4送?,兩種通路有機(jī)整合,應(yīng)用到產(chǎn)品中。此外,本文又將兩種通路有機(jī)整合到一個(gè)產(chǎn)品中,實(shí)現(xiàn)了由理論到實(shí)踐的過(guò)程。












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