模塊化限壓型電涌保護(hù)器SPD安全性能分析

范文增

機(jī)械工業(yè)第九設(shè)計(jì)研究院有限公司，吉林長(zhǎng)春 130011

0 引言

電涌保護(hù)器SPD（Surge Protective Device簡(jiǎn)稱SPD）是一種用于帶電系統(tǒng)中限制瞬態(tài)過(guò)電壓和導(dǎo)引泄放電涌電流的非線性防護(hù)器件，用以保護(hù)電氣或電子系統(tǒng)免遭雷電或操作過(guò)電壓及涌流的損害。按使用元件的特性主要分為電壓開(kāi)關(guān)型SPD、限壓型SPD和混合型SPD。

在低壓配電系統(tǒng)中，由于限壓型SPD具有通流容量大、響應(yīng)速度快、無(wú)工頻續(xù)流、能任意組合等優(yōu)良特點(diǎn)，在眾多的防雷組件中制造量最大，應(yīng)用面最廣。由于SPD是一種電氣、電子設(shè)備安全防護(hù)類產(chǎn)品，合理的使用SPD，能有效防止雷電電磁脈沖引起的過(guò)電壓對(duì)電氣、電子設(shè)備帶來(lái)的危害，因此它自身的可靠性、安全性尤為重要。

隨著限壓型SPD應(yīng)用越來(lái)越廣，數(shù)量越來(lái)越多，問(wèn)題也就隨之而來(lái)。問(wèn)題集中表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是因工頻嚴(yán)重過(guò)壓導(dǎo)致閥片擊穿引起的短路起火；二是因元件老化后漏電流增大而脫扣器性能不佳引起的自燃。以下就脫扣器及后備保護(hù)兩方面來(lái)分析有關(guān)SPD安全性問(wèn)題。

1 模塊化SPD脫扣器與安全性能

由于模塊化SPD有著與微型斷路器相同的外形尺寸和安裝方式，使其在市場(chǎng)中保有量最大，因其結(jié)構(gòu)上的原因，著火事故時(shí)有發(fā)生。為了解決這一問(wèn)題，生產(chǎn)廠商推出了各種類型的SPD內(nèi)部脫扣裝置（以下簡(jiǎn)稱脫扣器）用以減少這類事故的發(fā)生，但效果仍不盡人意。無(wú)論何種類型的脫扣器最終都是試圖通過(guò)基片一側(cè)銅電極的熱傳導(dǎo)使低溫焊錫熔化脫扣。按脫扣器所處位置區(qū)分不同類型的脫扣器一般有兩種：一是在銅電極中央，另一種在邊緣；按脫扣器有無(wú)外力加速脫扣區(qū)分也有兩種：一種是金屬?gòu)椘停硪环N是外加彈簧型。

無(wú)論何種結(jié)構(gòu)均解決不了脫扣器的先天性病端，脫扣器的開(kāi)斷故障電流能力。眾所周知短路電流的大小由電源短路容量和線路阻抗決定（在這里主要由電源容量決定），電磁繼電器接點(diǎn)的額定容量在AC250V時(shí)只有5A，SPD脫扣器的故障電流開(kāi)斷容量要大于5A是困難的，市場(chǎng)上沒(méi)有任何一個(gè)廠商標(biāo)明SPD脫扣器故障電流開(kāi)斷能力的參數(shù)，當(dāng)然現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也無(wú)該項(xiàng)檢測(cè)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB18802.1-2002（IEC61643-1） 《低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器（SPD）第1部分：性能要求和試驗(yàn)方法》第3章第3.29條SPD脫離器定義中的注釋是這樣描述的“這種斷開(kāi)裝置不需要具有隔離能力，它防止系統(tǒng)持續(xù)故障并可用來(lái)給出SPD故障的指示”。也就是說(shuō)SPD在遇到工頻過(guò)電壓引起基片擊穿短路時(shí)，任何脫扣器都沒(méi)有能力開(kāi)斷故障電流。

同時(shí)基于低溫焊錫的脫扣器還有一個(gè)動(dòng)作時(shí)間問(wèn)題，當(dāng)基片出現(xiàn)短路故障時(shí)，脫扣器需要有一個(gè)加熱熔化的過(guò)程，只有溫度達(dá)到或超過(guò)焊錫的熔點(diǎn)才能脫扣。為什么國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還要規(guī)定SPD必須要帶有脫扣器呢？這是因?yàn)樾阅芎细竦拿摽燮髂苡行Ы鉀Q基片老化緩慢發(fā)熱而引起的SPD元件失效問(wèn)題。

國(guó)外有在模塊化SPD中安裝具有耐沖擊電流能力強(qiáng)，而出現(xiàn)工頻短路時(shí)有一定開(kāi)斷能力的熔絲產(chǎn)品，但這種熔絲因價(jià)格昂貴，故在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品中沒(méi)有被采用。

2 SPD的后備保護(hù)與安全性能

為了有效的解決因基片性能退化或失效后可能產(chǎn)生的工頻短路故障對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，一般在工程設(shè)計(jì)時(shí)均在SPD與電源之間裝設(shè)過(guò)流保護(hù)電器（熔斷器或斷路器）作為后備保護(hù)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》在其附錄J.1用于電氣系統(tǒng)的電涌保護(hù)器的接線圖（圖J.1.2-1～圖J.1.2-5）中均在SPD前裝設(shè)了后備保護(hù)。后備保護(hù)即要滿足工頻短路時(shí)與主電路過(guò)流保護(hù)裝置的級(jí)間配合及分?jǐn)嗄芰σ螅植粦?yīng)在規(guī)定的雷電沖擊放電電流下斷開(kāi)。

當(dāng)SPD出現(xiàn)故障引起電源短路時(shí)，裝設(shè)在SPD前的斷路器或熔斷器無(wú)疑能起到將SPD與電源可靠分離的作用。應(yīng)該指出斷路器或熔斷器是為保護(hù)低壓電氣設(shè)備和線路設(shè)計(jì)的，兼有過(guò)熱分（熔）斷和過(guò)流速斷的特性，其用作SPD的后備保護(hù)時(shí)只有過(guò)流速斷特性起作用，不能從根本上解決SPD起火的問(wèn)題，同時(shí)還帶來(lái)如下問(wèn)題。

2.1 后備保護(hù)與SPD配合問(wèn)題

后備保護(hù)與SPD配合后，應(yīng)在額定電涌電流作用時(shí)，后備保護(hù)元件不動(dòng)作，保證電涌電流的正常泄放。業(yè)內(nèi)人士對(duì)熔斷器和斷路器做過(guò)抗電涌沖擊試驗(yàn)，結(jié)果令人不滿意。額定電流63A的熔斷器耐電涌沖擊電流的水平對(duì)于8/20μs波形大約為25kA、對(duì)于10/350μs波形大約為5.5kA；額定電流63A的斷路器耐電涌沖擊電流的水平對(duì)于8/20μs波形大約為25kA。而我們使用SPD通流容量越來(lái)越大，最大達(dá)到120kA（2/20μs波形），顯然用熔斷器或斷路器作為SPD的后備保護(hù)存在耐沖擊電流的配合問(wèn)題。可喜的是斷路器或熔斷器的動(dòng)作時(shí)間與SPD的動(dòng)作時(shí)間相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，前者約為1ms，而SPD約為25ns或更小。這樣使得發(fā)生首次電涌時(shí)SPD能起到限壓作用，對(duì)于后續(xù)電涌因后備保護(hù)將其斷開(kāi)而不起作用，若未能將后備保護(hù)及時(shí)恢復(fù)SPD將失去作用直至后備保護(hù)恢復(fù)為止，這點(diǎn)應(yīng)引起相關(guān)人員的重視。

2.2 后備保護(hù)增加保護(hù)回路的殘壓

裝設(shè)后備保護(hù)后無(wú)疑會(huì)增加SPD保護(hù)回路的殘壓，業(yè)內(nèi)人士通過(guò)測(cè)試表明斷路器或熔斷器將增加殘壓10%～25%，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)安裝SPD后備保護(hù)時(shí)必須考慮這個(gè)問(wèn)題。

2.3 后備保護(hù)與主電路過(guò)流保護(hù)裝置配合問(wèn)題

SPD前端裝設(shè)后備保護(hù)在一定條件下能起到作用，但其與主電路過(guò)流保護(hù)裝置的脫扣（熔斷）電流的配合問(wèn)題不容忽視。筆者認(rèn)為良好的配合應(yīng)該是在SPD失效時(shí)能迅速將SPD與電源隔離，同時(shí)保證主電路過(guò)流保護(hù)裝置不動(dòng)作，保證供電的連續(xù)性，以滿足電源回路保護(hù)選擇性的要求。對(duì)交流電源型SPD的后備保護(hù)來(lái)說(shuō)，當(dāng)采用斷路器時(shí)應(yīng)采用具有C型脫扣曲線的延時(shí)型斷路器，其額定電流應(yīng)根據(jù)SPD的最大放電電流Imax選擇，一般第一級(jí)不小于50A（可選63A），以后各級(jí)不小于20A（可選32A）。當(dāng)采用熔斷器時(shí)，其配置原則與斷路器相同，同時(shí)應(yīng)與上一級(jí)熔斷器實(shí)現(xiàn)選擇性配合（配合比為1/1.6）。有關(guān)SPD后備保護(hù)的選擇及注意事項(xiàng)等許多文獻(xiàn)都有詳細(xì)介紹，本文不再贅述。

3 結(jié)論

限壓型SPD的脫扣器能否在基片老化發(fā)熱后安全脫扣，直接關(guān)系到SPD的安全乃至系統(tǒng)的安全，SPD制造商應(yīng)當(dāng)予以高度重視，不斷提高SPD產(chǎn)品脫扣器的性能。在出現(xiàn)工頻短路時(shí)，安裝在限壓型SPD前端的熔斷器或斷路器雖能將SPD從電源系統(tǒng)中隔離，但不能從根本上解決SPD存在的問(wèn)題。由于脫扣器先天的不足，當(dāng)出現(xiàn)工頻嚴(yán)重過(guò)壓時(shí)基片短路，在脫扣器未來(lái)得及脫扣時(shí)已燃燒起火，這個(gè)問(wèn)題目前還沒(méi)有理想的解決方案，寄希望于未來(lái)技術(shù)的發(fā)展來(lái)解決。

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器（SPD）第1部分：性能要求和試驗(yàn)方法.GB18802.1-2002.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范，GB50057-2010.

[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范，GB50343-2004.

[4]中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，等.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè).3版，2005.