信息技術系統電涌保護器檢測技術研究

【摘要】本文首先介紹了信息技術系統電涌保護器需要定期檢測的重要性，然后從電涌保護器的發展歷程分析了其內部組成結構，通過對其內部電涌保護元件的伏安特性及失效特征的研究，分析了離線檢測技術和在線檢測技術的檢測原理及優缺點，最后得出電涌保護器的檢測需要將離線檢測技術和在線檢測技術相結合的結論。

【關鍵詞】電涌保護器；SPD；檢測技術；離線檢測；在線檢測

1.引言

隨著科學技術的發展，當今社會已經進入到信息化時代，計算機網絡的普及促使各種微電子設備和大規模集成電路在信息技術系統中得到了廣泛的應用。眾所周知，信息技術系統是在弱電環境下工作的，因此，信息技術系統對于外界的干擾非常敏感。電涌是瞬間出現超出穩定值的峰值，是電路中出現的一種短暫的電流或電壓波動，在電路中通常持續約百萬分之一秒，是影響信息技術系統信號品質的最主要的外界干擾，其造成的災害程度和范圍日益廣泛。

在信息技術系統中，為保證設備安全和信號品質，提高電子設備抗擊電涌電磁脈沖干擾能力，按照國家標準要求加裝了各種類型的電涌保護器（SPD），但由于運行中的SPD長期處于工作電壓及電涌發生時沖擊電流作用下，因此在使用過程中會出現劣化現象，從而導致SPD保護性能下降，甚至損壞，無法對信息技術系統進行保護，甚至會影響系統的正常運行，因此需要對SPD進行檢測，以確保其運行可靠，發揮其電涌保護作用。

2.電涌保護器使用壽命及檢測周期

在對SPD進行檢測前，SPD的使用壽命是多長？在使用壽命內的檢測周期是怎樣的呢？這些信息是與SPD的檢測息息相關的。

根據GB 18802.12-2006《低壓配電系統的電涌保護器（SPD）第12部分選擇和使用導則》3.33條注2，規定：SPD預期使用壽命由SPD替代方式、使用場合和可行性、可接受的失效率及運行經驗來確定。第5.5.24條，規定：SPD失效模式取決于電涌電流和電壓的幅值，數量和波形、電力系統的短路能力和失效時SPD上施加電壓的值。

從國家標準中我們可以看出，簡單的提SPD的使用壽命是不科學的，SPD的使用壽命是由其所在系統工作環境的電源和信號質量、所在系統的電涌防護安全重要程度、在運行期內所承受電涌的數量和大小等因素決定的，因此SPD更加需要進行定期檢測，以判斷其是否在壽命范圍內，是否能夠滿足電涌保護的需要。

中國氣象局第20號令《防雷減災管理辦法》第四章第十九條規定“投入使用后的防雷裝置實行定期檢測制度。防雷裝置應當每年檢測一次，對爆炸和火災危險環境場所的防雷裝置應當每半年檢測一次”。雷電是電涌的一種表現形式，SPD屬于防雷裝置的一種，因此其檢測周期需要按該要求進行。

3.電涌保護器發展歷程

根據SPD內部組成元件的不同以及電子電路技術的發展，SPD經歷了由單一非線性元件的SPD，到復合型SPD，再到多級SPD的發展歷程。單一非線性元件的SPD，是指包含一個非線性元件的SPD，又可細分為電壓開關型SPD、電壓限制型SPD。電壓開關型SPD，是指沒有電涌時具有高阻抗，當對電涌電壓響應時能突變成低阻抗的SPD，其常用的元件有放電間隙、氣體放電管等。電壓限制型SPD，是指沒有電涌時具有高阻抗，但是隨著電涌電流和電壓的上升，其阻抗將持續地減小的SPD，其常用的非線性元件是壓敏電阻和瞬態抑制二極管。

復合型SPD，是指包含兩個非線性元件的SPD，由電壓開關型元件和電壓限制型元件組成的SPD，其特性隨所加電壓的特性可以表現為電壓開關型、電壓限制型或兩者皆有。

多級SPD，是多種非線性元件集成在一起，形成不同能量等級保護的SPD。

4.離線SPD檢測技術

從SPD的結構我們可以看出，不論是哪一發展階段的SPD，其對信息技術系統的設備安全和信號品質提供抗電磁脈沖干擾作用的關鍵是其內部的非線性元件，通過這些元件的特性將電涌電壓限制到某一個電壓值下，將大的電涌電流泄放到大地中，從而對信息技術系統提供保護。離線SPD檢測技術的工作原理是通過檢測SPD內部非線性元件的技術參數來判斷SPD的正常與失效。

SPD內部的非線性元件為壓敏電阻、氣體放電管和瞬態抑制二極管。

壓敏電阻是一種限壓型保護器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當過電壓出現在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現對后級電路的保護。圖1是壓敏電阻的伏-安特性曲線，電涌保護時工作在限壓區，當壓敏電阻出現老化或失效時，其參考電壓（U1mA）和泄漏電流會發生變化。

氣體放電管是一種開關型保護器件，當過電壓出現在氣體放電管的兩極間，達到其啟動電壓時，氣體放電管會迅速對地短路，將大電流泄放到大地中去，其兩極間的電壓因對地短路而降到后端設備電壓耐受能力之內，實現對后端設備的保護。圖2是氣體放電管的伏-安特性曲線，電涌保護時工作在AB段和DE段。當氣體放電管失效時，其直流放電電壓會發生變化，因此直流放電電壓是判斷氣體放電管正常或失效的一個重要參數。

瞬態抑制二極管，簡稱TVS，是一種二極管形式的高效能保護器件。當TVS管的兩極受到反向瞬態高能量沖擊時，它能以10的負12次方秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變為低阻抗，吸收高達數千瓦的電涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。圖3是瞬態抑制二極管的伏安特性曲線，電涌保護時工作在反向擊穿區，反向擊穿電壓是判斷其正常與失效的一個重要參數。

離線SPD檢測技術是利用電涌保護器檢測儀模擬電涌的產生，通過產生直流高壓，加在SPD內部電涌保護器器件（壓敏電阻、氣體放電管、TVS管）的兩端，使其導通，在導通瞬間測量其靜態參數（壓敏電阻的參考電壓和泄漏電流、氣體放電管的直流放電電壓、TVS管的反向擊穿電壓），然后通過判斷測量值是否在其標稱值允許范圍內來判斷SPD的正常與失效，如圖4所示。

從離線SPD檢測技術中，我們不難看到，要對SPD離線進行檢測，SPD必須為其內部的每一個電涌保護器件預留出測試端。從上文中我們知道，為了追求卓越的電涌保護性能，SPD正往多級SPD的方向發展，也就是說SPD內部集成的非線性元器件越來越多，所以SPD的設計者們不可能為SPD中的每一個元器件都預留出兩個測試端，這是限制電涌保護器離線檢測的最主要原因。

另一方面，SPD離線檢測技術需要對SPD施加高壓，因此SPD不能在工作狀態下進行檢測，只能是在離線狀態下進行，即SPD要從信息技術系統工作線路中拆卸下來，這不僅增加了SPD維護人員的工作量、降低了工作效率、提高了維護成本，而且中斷了信息技術系統的正常工作、干擾了正常的工作秩序。這是限制SPD離線檢測技術發展的另一重要原因。

5.在線SPD檢測技術

鑒于離線SPD檢測技術存在的局限性，在線SPD檢測技術的發展就成為必然。我們知道SPD的作用是用于限制瞬態過電壓和泄放電涌電流的，因SPD內部的電涌保護器件是電子元器件，有其固有的壽命，所以SPD不可能無限次的限制瞬態過電壓和泄放電涌電流，那么SPD失效的根本原因就是其在進行電涌保護的過程中可能承受了數量過多或者能量過大的電涌電流的沖擊，這些電涌電流的沖擊使SPD可能因吸收大量的能量造成自身的熱過載，或者因泄放大容量的電涌電流導致自身的電氣過載，但是不論何種形式的過載，直接表現就是SPD內部的電涌保護器件會發熱。如果我們在SPD內部電涌保護器件上增加熱敏感裝置，當SPD因過載失效時，熱敏感裝置就會發生變化，從而傳遞出SPD失效的信息。在線SPD檢測技術就是利用這個原理來實現對SPD檢測的。

壓敏電阻型SPD，如圖5所示，當其內部的壓敏電阻（MOV）發生過載老化或者失效后，在其正常的工作環境下漏電流會逐漸增大，導致MOV發熱，熱量會傳導至其熱脫扣裝置K1K2，K1K2受熱升溫，達到一定的溫度時發生脫扣，連接在K1K2上的狀態顯示器就會發生狀態改變（由綠色變為紅色），用戶現場就能夠知道SPD已經發生老化或者失效，通過遙信告警開關可以把SPD的狀態信息傳輸給不在現場的用戶。機械脫扣和溫斷管脫扣是熱脫扣裝置常用的脫扣方式，機械脫扣一般由低溫焊錫配合機械彈簧或彈簧片組成，通過使用具有熱熔斷性能的材料或元件來檢測溫度并熔斷；溫斷管脫扣方式，當其內部溫度達到脫扣溫度時，溫斷管內部電路就會熔斷。機械脫扣和溫斷管脫扣用到的熱量都是通過MOV的金屬引腳或者通過與MOV元件表面接觸以及空氣散熱等方式傳遞給熱脫扣裝置的，這種方式熱量傳導相對較慢，因此脫扣動作需要的熱積累時間比較長，因此決定了只有壓敏電阻型的SPD才可以用這種方式檢測其處于正常還是失效狀態。

氣體放電管型和瞬態抑制二極管型的SPD，其失效狀態是開路或短路，不會造成熱量積累，因此通過熱脫扣裝置實現其狀態檢測是行不通的，但是他們的失效也確實是由電氣過載或者熱過載引起的，那么通過什么辦法實現其狀態檢測呢？通過反復試驗，在SPD內部的氣體放電管和瞬態抑制二極管表面上貼有對溫度更加敏感的溫感標簽，這些溫感標簽相互之間構成一個電回路（圖6中THERMAL FUSE構成的回路），當氣體放電管和瞬態抑制二極管在進行電涌保護時，泄放的總電涌能量超過其能力時，產生的熱量就會使溫感標簽融化消失，電回路就會中斷。也就是說電回路的通斷，反映出了電涌保護器的狀態。這種檢測技術在進行SPD檢測時，需要提供能量來測試溫感標簽組成的回路的通斷狀態，這個可以通過射頻技術提供能量或者直接接入外接電源來實現。

在線SPD檢測技術，通過檢測SPD的電氣過載和熱過載來判斷SPD的狀態，不需要拆卸SPD，降低了設備維護人員的工作強度、提高了工作效率、減少了維護成本；不需要切斷信號技術系統線路，保障了正常的生產秩序、滿足了不間斷生產的需要；能對日益廣泛的多級SPD進行檢測，符合SPD可持續發展的要求。但是在線SPD檢測技術也存在缺陷，就是對進一步分析判斷SPD內部哪一個元器件失效則是無能為力的。

6.結語

從上文描述中，我們知道離線SPD檢測技術和在線SPD檢測技術各有優缺點，在實際應用中，要注意揚長避短，結合這兩種檢測技術的優勢特點對SPD進行維護。例如，對于不間斷生產的控制系統，因SPD的使用量巨大，所以在選型時，就要盡可能的選擇能夠提供在線檢測的SPD，這對將來降低SPD維護人員的勞動強度、提高工作效率、降低設備維護成本、保障生產的不間斷會有很大的幫助；但是對于失效的SPD，我們可以采用離線SPD檢測技術對其內部的失效元件進行檢測，判斷失效元件，然后進一步分析電涌產生的原因，對整個生產控制系統也是有很大幫助的。

參考文獻

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作者簡介：林世龍（1982—），男，北京人，工程師，現供職于北京中自控創新科技發展有限公司。