作者 谭胜淋 康国耀 深圳远征技能有限公司(广东 深圳 518000)
谭胜淋(1988-)，男，工程师，研讨方向：电子信息，雷电防护技能和规范。
摘要：本文首要研讨剖析了SPD的宽波脉冲电流耐受才能，体系地剖析了低压配电体系中的雷电过电压过电流、配电体系彼此搅扰和用电设备的兼容性、误操作及毛病等影响因子，并经过罗列多项实验成果和理论剖析阐明，证明SPD的窄波脉冲耐受才能与宽波脉冲耐受才能之间没有等效性，对规则SPD的宽波脉冲电流耐受才能的实验要求和办法的必要性。
导言
SPD(Surge Protective Device)，即防雷器，又称避雷器、浪涌维护器、电涌维护器、过电压维护器等，首要用于维护用电设备免遭雷电电磁脉冲或操作过电压损坏。SPD在按捺浪涌过电压、分流浪涌电流，维护其他电子/电气设备的一起，本身有必要能耐受规划规模内的脉冲应力对它的损坏效果。以功能要求来区别，则SPD上的脉冲应力可分为两类，即高峰值的窄波脉冲(以下简称为HSI)和低峰值的宽波脉冲(以下简称为LLI)。
低压配电体系中因雷电过电压过电流、配电体系彼此搅扰和用电设备的不兼容性、误操作及毛病等影响，引起各种不同峰值和时刻宽度的脉冲过电压。低压配电体系中的SPD，在实践运转中失效乃至产生安全隐患的首要原由于以下三种：
(1)SPD遭受超越其最大额定值的屡次强脉冲的损坏效果;
(2)配电体系中的频度很高的操作过电压(大多是低峰值的宽波脉冲)耗费MOV型SPD的大部分“安-秒”资源，在“安-秒”资源耗尽后，一旦遭到雷电脉冲侵入直接损坏;
(3)SPD本身的缺点。
以上三种原因中，原因(2)是首要的，它呈现的概率最高。由于低压配电体系中超越SPD最大额定值的强脉冲的呈现概率极低。因而，原因(1)损坏的或许性很小;关于出厂前经过可靠性挑选的合格产品，类型(3)也不会产生。因而，确保SPD的宽波脉冲电流耐受才能含义严峻。但现行的低压配电体系用SPD技能规范IEC61643-1，暂未提出这一功能指标和实验办法。
现在，雷电学术界中有一种观念：SPD的窄波脉冲耐受才能与宽波脉冲耐受才能之间有必定等效联系，因而IEC61643-1的8/20脉冲电流动作负载实验，表征SPD的宽波脉冲耐受才能。本文罗列的多项实验成果和理论剖析都阐明，这一观念不符合现在运用量最大的MOV型SPD的实践状况，这种类型SPD的窄波脉冲耐受才能与宽波脉冲耐受才能之间没有等效。因而，规则SPD的宽波脉冲电流耐受才能的实验要求和办法的必要性。
现行的低压配电体系用SPD技能规范中，世界电工委规范IEC61643-1 规则SPD关于HSI的耐受才能的实验要求，详细如下：
HSI的耐受才能的要求为满意3组，每组5次脉冲电流的检验才能要求。脉冲的波形和峰值别离为：Ⅰ类实验SPD为8/20µs电流脉冲，峰值Iimp;Ⅱ类实验SPD为8/20µs电流脉冲，峰值IN;Ⅲ类实验SPD为组合波。脉冲电流应叠加在SPD的最大接连作业电压UC 上。在此规范规则的实验项目中，关于确保SPD的可靠性极为重要，可是测验项并不充沛。首要由于8/20µs电流脉冲和组合波都是窄波脉冲，与SPD耐受宽波脉冲的才能不尽相同。
低压配电体系用SPD中的非性元件，绝大多数是压敏电阻器。现在共性知道为：只需压敏电阻器接受的脉冲电流不超越其答应的最大放电电流Imax，压敏电阻器就不会损坏，但以实践运用经历并不支撑该观念。压敏电阻型 SPD在并未遭到大于最大额定值的强冲击电流效果的状况下也存在损坏的或许，并且有许多的数据证明这观念。本文以理论结合实验和运用成果剖析阐明，致使压敏电阻型SPD在不是很大的脉冲电流状况下失效的首要原因是压敏电阻型SPD的LLI本身耐受才能缺乏。因而，在SPD技能规范中添加对LLI的实验项目是十分必要的，本文提出对LLI的实验项目和实验办法。
1 低压配电体系中的脉冲过电压和压敏电阻器的“安-秒”资源
低压配电体系中的脉冲过电压首要为：雷电效应和配电体系及用电设备的操作。关于这两类脉冲过电压的构成机理、特性、参数以及它们所产生的效应，现行技能规范及材料都较为充沛。这儿指出以下几点：
低压配电体系中脉冲的持续时刻(亦名为“脉冲宽度”)，大体从微秒级到秒级，即跨过约6个数量级。从压敏电阻器的视点来看，一般把宽度小于50µs的脉冲称为“窄波脉冲”，把宽度大于100µs的脉冲称为“宽波脉冲”。在评论脉冲电流对SPD的效果时，首要关怀电流峰值规模从毫安培级到千安培级。不同宽度和不同峰值的脉冲对压敏电阻器的效果效应天壤之别，一般状况首要把效果于压敏电阻器的脉冲区别为“高峰值窄波脉冲”和“低峰值宽波脉冲”。
可是，在低压配电体系中常被忽视的一个要素：在一个周期内(一周、一月或一年)体系中呈现的LLI“安-秒”值(电荷量)远大于HSI的安-秒值。在雷电放电中，一起存在HSI电流和LLI电流，且LLI电流的持续时刻首要在 2ms～1s 间。尽管LLI电流的峰值很小，可是持续时刻相关于窄波脉冲而言较长。此外，低压配电体系中操作过电压的呈现频度十分高。举实例来阐明：在一个有16家住户的高楼的配电入口处测得的峰值约500V，过电压约1100次/年;峰值约2000V，过电压约20次/年。假定两者的脉冲宽度相同，则短路电流安秒值中前者是后者的13.7倍。
效果在压敏电阻器上的脉冲的安/秒值，对研讨压敏电阻器的脉冲寿数极为重要。以工频电流峰值0.8～600A和脉冲电流4kA～35kA，对三个厂出产的高度23～24mm，直径 62～64mm的ZnO压敏电阻片进行实验，每种电流实验直到样品损坏停止，得到均匀损坏时刻(t)与电流峰值(I)有下面的联系：
I·t=C (1)
式中 C是个常数。这个式子标明，压敏电阻器失效前的均匀安秒值是个常数，是压敏电阻器作业寿数的极为重要因子。
2 压敏电阻器的窄波脉冲耐受才能与宽波脉冲耐受才能之间无等效性
元器件存在着多种类型的内部缺点。在不同峰值、不同持续时刻的脉冲应力效果下，%&&&&&%所体现的失效成果不尽相同。有的失效成果是在HSI下才产生，在LLI下没呈现失效，而部分失效则相反。以上两种状况证明：窄波脉冲耐受才能与宽波脉冲耐受才能之间不存在“等效性”。下面罗列多个与压敏电阻器失效现象进行阐明。
例1：8/20µs脉冲电流的“软损坏特性”和2ms脉冲电流的“硬损坏特性”。
现在，雷电学术界都已构成了共性认知：若别离以必定峰值的8/20µs脉冲和2ms方波脉冲对压敏电阻器屡次冲击实验，每次冲击冷却后丈量样品压敏电压(UN)，作出UN的相对改变 (δUN) 随冲击次数(n)的改变规曲线，则8/20µs电流时体现为“软特性”，2ms方波电流时体现为“硬特性”(见图1)。所谓软特性，是指δUN随n的增大逐渐下降，且当压敏电压的下降量(δUN )超越(-10%)后，跟着冲击次数(n)的进一步增大，样品很简单就损坏。硬特性是指压敏电阻器在失效前难以辨别出反常。当冲击到必定次数后其将忽然失效。这两种不同的特性反映了8/20µs脉冲和2ms方波脉冲对MOV的几率不一致。
例2：电极片和陶瓷体膨胀系数不匹配。
以铜片作为引出片的压敏电阻器，在进行脉冲电流寿数实验中，损坏的方式首要是陶瓷体沿着铜电极的边缘开裂，这是首要是由于电极片和陶瓷体膨胀系数不匹配形成的。铜的线胀系数为16.7×10-6/K，而陶瓷体的线胀系数为3×10-6/K，两者相差超5倍。在脉冲电流寿数实验中，铜电极和陶瓷体需求经“热-冷”的循环，陶瓷体遭受铜电极对它的效果力，最终因机械疲惫而开裂。
例3：宽脉冲效果时的电流会集损坏。
电流会集是指在宽波脉冲或接连电流效果期间，压敏电阻器中的电流向陶瓷体的单薄部位会集的进程。由于陶瓷体无法做到抱负的均匀体，它各部分的电流密度是不同的。在单位时刻内由电流所产生的热量大于流失的热量，电流密度最大部位的温度就会进一步升高，而压敏电阻器陶瓷体的电流温度系数为正值，较高的温度使得该部位的电流进一步上升，这种正反馈进程最终导致这个部位击穿。电流会集进程是个热学进程，需求必定的时刻，只要在宽波脉冲电流时才会产生，电流持续时刻越长，电流会集越显着，8/20µs的窄波脉冲电流效果期间，不或许呈现电流会集效应。以图2的热像图阐明脉冲宽度影响到电流会集的程度。
图2(a)，图2(b)别离表明同一个压敏电阻器样品在8/20-40.8kA(UN=513.6V 8/20µs-40.8kA/1700V，83～88℃)脉冲和10/350-2.76kA(UN=513.6V，10/350-2.76kA/920V，82～87℃ )脉冲的外表热图画。图中的黑色区域是经图画处理软件处理后的“高温区”(在这儿，将温度在Tm～(Tm-5)的区域称为高温区，Tm 指最热门的温度)。这两个图阐明：1)该样品在8/20-40.8kA与10/350-2.76kA两个脉冲电流下所吸收的能量大体持平，因而Tm大体持平，前者为88℃，后者为87℃(留意：两个电流的峰值之比为14.8);2)窄波电流高温区的面积显着比宽波脉冲的大。许多的测验成果证明，这是个普遍现象。证明晰在宽波脉冲效果期间，电流逐渐向电阻片的单薄部位(低阻抗部位)会集，并且，电流效果时刻越长，电流会集越严峻，最热门温度越高，高温区面积越小。图2(c)表明晰别的一只压敏电阻器裸片施加工频电压3s钟后的热像图(图中A、B两点是测验夹具的触摸部位，UN=642.8V，50Hz，Up=740V，Ip=2.04A， 3s，110～126℃ )。它的高温区面积更小。
经过比如可阐明压敏电阻器在脉冲电流下失效的方式，在实践出产和实验中仍有有其他方式。由此可见，压敏电阻器在脉冲电流下的失效的影响影子许多，宽脉冲失效与窄脉冲失效之间是不存在确认的数学模型联系。在2006年，美国电气和电子工程师协会召开了一次关于8/20µs电流波与10/350µs电流波的专题评论会中，部分专家企图找到SPD耐受这两种脉冲之间的等效联系，但最终的定论是不存在等效联系。
3 压敏电阻器的特性
关于同一类型但不同规范的两种压敏电阻器来说，窄波脉冲耐受才能高的压敏电阻器，其宽波脉冲耐受才能也高，但不同类型的压敏电阻器就存在必定的差异。
近几年来开发了一种新式的首要用于Ⅰ类实验SPD的压敏电阻器，它的10/350µs脉冲电流耐受才能，大体是惯例产品的1.5～2倍，但窄波脉冲耐受才能和电压约束功能比惯例产品差。在必定程度上阐明晰µs的窄波脉冲耐受才能与宽波脉冲耐受才能是两项独立的功能。
4 实验的主张
IEC61643-1中已规则SPD关于窄波脉冲(8/20µs或组合波)的耐受才能的实验，可是没有考虑对宽波脉冲的耐受才能的实验。因而为确保实验的全面性和可操作性，主张提出添加该项实验要求。
现行的规范中，对宽波脉冲耐受才能的实验波形，现在首要有2ms方波电流、10/1000或10/350等指数波电流。考虑到2ms方波电流已在电力防雷中应用了几十年，大部分的出产、实验和研讨机构都沿袭2ms方波电流产生器。由此，可根据实践实验要求，以2ms方波电流作为SPD宽波脉冲耐受才能的实验波形，相应的实验办法如下：
(1)Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类实验SPD的宽波脉冲耐受才能的实验要求：应以实验电流为2ms方波实验电流，按IEC61643-1 第8.3.4.3 “Ⅰ类和Ⅱ类动作负载实验”的规则履行。
(2)2ms方波实验电流的优先值为500A、400A、300A、200A、100A。
5 定论
低压配电体系中SPD的失效，首要不是因SPD遭受超越其最大放电电流的一次或几回强脉冲的损坏，最首要的是由于体系中呈现频度很高的操作过电压(尤其是低峰值的宽波脉冲)耗费SPD的“安-秒”资源。在耗尽该资源后，一旦雷电脉冲侵入时，其损坏率极高。因而，主张确保SPD的宽波脉冲才能颇为重要。
SPD的SHI与LLI耐受才能之间不存在“等效性”联系，所以现行规范中仅对低压配电体系用SPD规则8/20电流耐受才能实验是不充沛的，有待进一步修订。
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本文来源于《电子产品世界》2017年第11期第65页，欢迎您写论文时引证，并注明出处
