SPD脫離器及其熱穩(wěn)定試驗(yàn)

1、電涌保護(hù)器(SPD )脫離器及其熱穩(wěn)定試驗(yàn) 2010年12月20日12:16:03來(lái)源：半導(dǎo)體器件應(yīng)用2008年9月刊 作者：周蜜，王建國(guó)，郭清滔，王 建平，薛健，向念文，陳俊杰1引言電涌保護(hù)器(Surge Protective Device ，SPD)是雷電防護(hù)體系中 最主要的保護(hù)器件之一，其運(yùn)行可靠性和安全性直接影響雷電防護(hù)性 能。對(duì)于限壓型SPD，其內(nèi)部核心元件壓敏電阻(MOV)劣化失效 后變?yōu)榈妥杌蚨搪窌r(shí)，往往會(huì)有較大的交流電流通過(guò)SPD，產(chǎn)生很 高的熱量，甚至冒煙起火引發(fā)電源事故。因此一般要求SPD具有熱 保護(hù)功能的脫離器，其作用是防止SPD因損壞、對(duì)地短路等而影響 供電線路的正常工

2、作，將SPD與電源系統(tǒng)脫離，并發(fā)出劣化告警指 示，以便維護(hù)人員及時(shí)更換。在通信行業(yè)里，SPD的安全性要求，特別是防自毀起火的安全要求 排在第一位，而防雷效果是放在第二位的1。設(shè)計(jì)良好的脫離器對(duì) SPD的保護(hù)尤為重要，IEC標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì) SPD的熱容性及脫離器的可靠性都提出了符合熱穩(wěn)定試驗(yàn)的要求。2 SPD脫離器限壓型SPD中的MOV失效后故障表現(xiàn)有短路和開(kāi)路兩類形式。短路故障產(chǎn)生原因主要為電涌電流通過(guò)MOV產(chǎn)生的熱擊穿或電涌 電流在MOV表面產(chǎn)生的放電造成兩極間金屬性短路，其工頻短路電 流值因系統(tǒng)容量不同從上百至幾千安培。某些情況下失效的MOV并 未完全短路且有一定阻抗，

3、流過(guò)MOV的故障電流使其發(fā)熱燃燒，燃 燒過(guò)程中在沒(méi)有完全開(kāi)路前故障電流在幾百毫安至幾安培間。對(duì)于低 壓配電系統(tǒng)而言，系統(tǒng)故障主要表現(xiàn)是相線通過(guò)SPD對(duì)PE線或 N線過(guò)流或漏電流。SPD脫離器工作原理是當(dāng)保護(hù)電路漏電流增大發(fā)熱時(shí)，熱量直接通 過(guò)壓敏電阻的金屬引腳或者通過(guò)元件表面接觸以及空氣散熱等方式 傳導(dǎo)至脫離器，脫離器受熱升溫，達(dá)到一定的溫度時(shí)發(fā)生脫扣。而脫 離器一般都是串聯(lián)在SPD保護(hù)電路中，一旦發(fā)生脫扣，即將SPD 與電源回路斷開(kāi)，保證設(shè)備的安全。連接在脫離器上的狀態(tài)顯示器為 用戶提供SPD的有關(guān)信息，根據(jù)其結(jié)構(gòu)顯示SPD 是在工作還是不 再起作用。脫離器按受熱方式主要分為直熱脫扣和旁熱脫

4、扣兩類2。熱量通過(guò) 壓敏電阻金屬引腳傳導(dǎo)至脫離器的方式屬于直熱脫扣，大部分SPD 采用這種方式。通過(guò)空氣或其他介質(zhì)傳導(dǎo)至脫離器的方式屬于旁熱脫 扣，這種方式熱量傳導(dǎo)相對(duì)較慢，因此脫扣動(dòng)作需要的熱積累時(shí)間比 較長(zhǎng)。機(jī)械脫扣和溫?cái)喙苊摽凼敲撾x器常見(jiàn)的脫扣方式。圖1為機(jī)械脫扣 方式脫離器的結(jié)構(gòu)示意圖，機(jī)械脫扣一般由低溫焊錫配合機(jī)械彈簧或 彈簧片組成，通過(guò)使用具有熱熔斷性能的材料或元件來(lái)檢測(cè)溫度并熔 斷。目前使用的具有熱熔斷性能材料為低熔點(diǎn)合金材料，對(duì)低熔點(diǎn)合 金材料的選擇決定了脫離裝置性能的優(yōu)劣，一般低熔點(diǎn)合金的機(jī)械強(qiáng) 度隨著溫度的上升而下降。根據(jù)脫離器的動(dòng)作特性，要求低熔點(diǎn)合金 在常溫下具有很好的

5、塑性和強(qiáng)度。隨著溫度的上升，從固態(tài)到液態(tài)轉(zhuǎn) 變要有一個(gè)明確的界限。反映在曲線上，要求從足夠的機(jī)械強(qiáng)度下降 到小于彈簧力的溫度區(qū)間盡可能地小，即下降線越陡，脫離裝置的動(dòng) 作也就越靈敏。低熔點(diǎn)合金材料也是解決SPD的通流量與MOV 失效時(shí)所通過(guò)的系統(tǒng)能量之間的矛盾，脫離部件與MOV 連接處的機(jī) 械強(qiáng)度與脫離靈敏度之間矛盾的平衡支點(diǎn)。機(jī)械脫扣方式可能屬于直熱脫扣也可能屬于旁熱脫扣，而溫?cái)喙苊摽?方式一般為旁熱脫扣，當(dāng)溫?cái)喙軆?nèi)部溫度達(dá)到溫?cái)喙艿拿摽蹨囟葧r(shí)， 溫?cái)喙軆?nèi)部電路熔斷，SPD與電源回路斷開(kāi)。3 SPD 后備過(guò)電流保護(hù)SPD脫離器上的低溫焊錫對(duì)溫度敏感，反映速度比較慢，而對(duì)電流 不敏感，所以往往

6、對(duì)因漏電流增大或電源諧波增大或電源電壓持續(xù)增 高而導(dǎo)致MOV持續(xù)工作發(fā)熱的故障保護(hù)較好。若MOV因大的沖 擊電流導(dǎo)致?lián)p壞短路，這時(shí)MOV因短路導(dǎo)致電流很大，但發(fā)熱量不 足以馬上使脫離器將 MOV 與電源電路分離，卻會(huì)導(dǎo)致供電電源發(fā)生 故障，甚至引發(fā)安全事故，因此SPD 所在電氣回路還需安裝過(guò)電流 保護(hù)裝置等其它后備保護(hù)元件，當(dāng)SPD自身脫離器不能迅速切斷工 頻短路電流時(shí)，過(guò)電流保護(hù)裝置迅速分?jǐn)嚯娐?，以保證SPD 產(chǎn)品自 身不會(huì)發(fā)生爆炸事故及低壓配電系統(tǒng)供電的連續(xù)性。一般小容量的MOV 是在閥片邊上緊靠安裝一只溫度保險(xiǎn)絲，同時(shí)起 到過(guò)熱分離和過(guò)電流分離的雙功能，大容量的MOV 一般在 MOV 的

7、回路里串接容量較大的斷路器或熔斷器作為過(guò)流保護(hù)。應(yīng)用斷路器 的主要優(yōu)點(diǎn)是故障斷開(kāi)后不必更換器件，具有智能帶電操作機(jī)構(gòu)的斷 路器還可實(shí)現(xiàn)遙控、遙信；主要缺點(diǎn)是相對(duì)價(jià)格較高，微型斷路器分 斷能力較小，不能承受較大的電涌電流，而塑殼斷路器的體積較大。 此外，因斷路器中電磁脫扣結(jié)構(gòu)電感L的作用，在相同沖擊放電電流 情況下，比熔斷器作后備保護(hù)器總電壓保護(hù)水平UP偏高0.1 0.25倍3。熔斷器分?jǐn)嗄芰Ω?，相?duì)尺寸較小，價(jià)格較便宜。但主 要缺點(diǎn)是熔絲熔斷后不能提供動(dòng)作信號(hào)，不能及時(shí)更換熔斷體，影響 保護(hù)可靠性。另外，熔斷器在承受數(shù)次雷電流的沖擊后會(huì)出現(xiàn)老化， 提前熔斷。一般在低壓配電系統(tǒng)SPD后備保護(hù)應(yīng)用

8、時(shí)，前級(jí)保護(hù)采 用斷路器，后級(jí)保護(hù)采用熔斷器。SPD的后備過(guò)電流保護(hù)裝置大多數(shù)為外置式，但目前也出現(xiàn)許多 SPD 將過(guò)電流保護(hù)裝置內(nèi)置在SPD內(nèi)部。SPD 和后備過(guò)電流保護(hù) 裝置之間存在電涌配合問(wèn)題。當(dāng)SPD 和過(guò)電流保護(hù)裝置配合時(shí)，在 標(biāo)稱放電電流或沖擊電流下，過(guò)電流保護(hù)裝置不動(dòng)作，然而當(dāng)電流比 標(biāo)稱放電電流或沖擊電流大時(shí)，過(guò)流保護(hù)裝置動(dòng)作一般是正常的，對(duì) 于斷路器這樣的可復(fù)位過(guò)流保護(hù)器不應(yīng)被這種電涌損壞。在這種情況 下，由于這種過(guò)電流保護(hù)裝置由于時(shí)間響應(yīng)特性即使動(dòng)作了，全部電 涌也將可能流過(guò)SPD4。4 SPD 熱穩(wěn)定試驗(yàn)4.1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱穩(wěn)定試驗(yàn)的要求SPD 的熱穩(wěn)定試驗(yàn)是SPD 安全性能試

9、驗(yàn)中極為重要的一項(xiàng)測(cè)試， 由耐熱試驗(yàn)和熱穩(wěn)定性試驗(yàn)組成。耐熱試驗(yàn)是把SPD在環(huán)境溫度為 80 C 5K的加熱箱中保持24h，要求SPD的內(nèi)部脫離器不動(dòng)作。 其試驗(yàn)?zāi)康氖强己薙PD的內(nèi)部脫離器是否在不會(huì)造成威脅的溫度 下發(fā)生誤動(dòng)作。而熱穩(wěn)定性試驗(yàn)將試驗(yàn)樣品連接到工頻電源，提高電 源電壓使SPD 有電流流過(guò)?？疾霺PD 在通過(guò)非正常的電流情況下 能不能和外界的熱交換達(dá)到平衡，等待故障解除。在無(wú)法達(dá)到平衡之 后脫離器是否可以準(zhǔn)確動(dòng)作，從而避免引發(fā)火災(zāi)。根據(jù)IEC61643-1(GB18802.1-2002)標(biāo)準(zhǔn)5-7，對(duì)于沒(méi)有開(kāi)關(guān)元件和其他元件與SPD 并聯(lián)的SPD，檢查 SPD 在流過(guò)交流電流為2

10、、5、10、20、 40、80、160、320、640 和 1000mA 有效值時(shí)，是否達(dá)到熱平 衡(10min 內(nèi)溫度的變化小于2K )或SPD 脫離器是否動(dòng)作。對(duì) 于有開(kāi)關(guān)元件與其他元件串聯(lián)的SPD，先將開(kāi)關(guān)元件短路，再對(duì) SPD 施加最大運(yùn)行電壓Uc，如無(wú)明顯的電流流過(guò)，再進(jìn)行相應(yīng)電流 的熱穩(wěn)定試驗(yàn)。合格判別標(biāo)準(zhǔn)是脫離器動(dòng)作時(shí)SPD表面溫度應(yīng)總是 低于120 C,在脫離器動(dòng)作后5分鐘，表面溫度應(yīng)低于80 C。而 信息產(chǎn)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 1235.2-20028 對(duì)熱穩(wěn)定試驗(yàn)要求更 為嚴(yán)格，SPD 的試驗(yàn)電流相應(yīng)為20、80、320、1000、2500、5000mA。 IEC61643

11、-1 對(duì)開(kāi)關(guān)型SPD的熱穩(wěn)定性試驗(yàn)以“短路開(kāi)關(guān)元件替 代試驗(yàn)方式進(jìn)行，但實(shí)際試驗(yàn)中“短路開(kāi)關(guān)元件存在可操作性問(wèn)題， 大多數(shù)SPD產(chǎn)品根據(jù)實(shí)際情況集成了許多其它功能如計(jì)數(shù)、遙信電 路等，并且在阻燃、布線、封裝及安裝等方面都有考慮。對(duì)于這類SPD， 短路開(kāi)關(guān)元件是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。電性能測(cè)試不應(yīng)該在破壞掉試品的封裝 和結(jié)構(gòu)后才可完成9。同樣YD/T 1235.2-2002 中關(guān)于熱穩(wěn)定性 試驗(yàn)中規(guī)定熱穩(wěn)定試驗(yàn)僅適用于安裝在L與N或L與PE間的 SPD，也是回避對(duì)開(kāi)關(guān)型SPD 進(jìn)行熱穩(wěn)定試驗(yàn)。YD/T12355 系列 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為“電壓開(kāi)關(guān)型SPD和具有開(kāi)關(guān)特性的組合型SPD因存在 沿待進(jìn)步研究的續(xù)流遮斷能力

12、及其試驗(yàn)方法問(wèn)題，不宜在除N PE 外的其它保護(hù)模式中推廣使用。4.2 SPD 產(chǎn)品熱穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果表1、表2是根據(jù) YD/T 1235.2 對(duì)不同廠家的23種通信電源 用SPD 產(chǎn)品進(jìn)行熱穩(wěn)定試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果1。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同廠家 SPD 制造水平參差不齊，有的產(chǎn)品完全不能通過(guò)任何一檔電流測(cè)試， 無(wú)脫離器或脫離器根本不動(dòng)作，只要測(cè)試電流一加上，就會(huì)出現(xiàn)冒煙 起火的現(xiàn)象。有的產(chǎn)品個(gè)別電流檔實(shí)驗(yàn)不能通過(guò)，包括大電流試驗(yàn) 時(shí)出現(xiàn)起火：在2500mA 或5000mA 電流實(shí)驗(yàn)時(shí)，瞬時(shí)產(chǎn)生大量 的熱量，脫離器根本來(lái)不及脫扣，SPD模塊就已經(jīng)冒煙穿孔甚至發(fā) 火；中小電流試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)高溫超標(biāo)：在5000mA 大電

13、流時(shí)能夠使 分離裝置迅速發(fā)熱實(shí)現(xiàn)脫扣，但在320mA 或1000mA 的電流實(shí) 驗(yàn)時(shí)卻因?yàn)榘l(fā)熱較慢，脫離器遲遲未能脫扣，而模塊的其它位置卻已 經(jīng)軟化冒煙、溫度超標(biāo)，甚至也出現(xiàn)明火；基本上能通過(guò)電流試驗(yàn)， 但某個(gè)等級(jí)電流試驗(yàn)時(shí)一直不脫扣，且模塊溫度明顯高于120C。 有些產(chǎn)品基本上能通過(guò)電流試驗(yàn)，但在脫離器動(dòng)作后5min內(nèi)，SPD 保護(hù)模塊表面高于80 C。還有些產(chǎn)品出現(xiàn)假脫扣：每個(gè)電流檔實(shí)驗(yàn) 都能脫扣，但是再次對(duì)SPD 施加工頻電壓時(shí)，SPD 發(fā)生短路起火。 表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，采用自熱脫扣的產(chǎn)品通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的比 例遠(yuǎn)大于采用旁熱脫扣方式的產(chǎn)品通過(guò)實(shí)驗(yàn)的比例。表2 熱穩(wěn)定試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果脫扣方式 產(chǎn)品數(shù)量 通過(guò)測(cè)試產(chǎn)