淺談SPD 模擬失效試驗的預期失效電流

劉婷

【摘要】本文介紹了電涌保護器（SPD）的定義、構造，并指出了大部分電涌保護器是由壓敏電阻組成的。進而分析了壓敏電阻的工作原理、U-I 特性曲線及短路劣化時存在的風險，提出了電涌保護器需帶有內部脫離裝置，并由SPD 模擬失效試驗來驗證脫離裝置的有效性。

【關鍵詞】模擬失效試驗；電涌保護器（SPD）；壓敏電阻（MOV）；失效電流；短路電流

一、電涌保護器（SPD）的概述

SPD 是英文Surge Protective Device 的縮寫，IEC（國際電工委員會）將其定義為“用做限制瞬態過電壓和泄放沖擊電流的裝置，它至少應包含一個非線性元件”。ITU（國際電信聯盟）將SPD 定義為“用來減少具有有限持續時間的沖擊過電壓和過電流的裝置，它可以只含有一個器件或者有較復雜的設計，集合幾種功能。它至少應包含一個非線性元件”。由此可見，它是用來限制沖擊過電壓和泄放過電流的裝置，它可以是單個非線性元件組成，也可以是多個非線性元件組成，也可以是線性元件和非線性元件復合而成。

電涌保護器按構成分為電壓限制型SPD和電壓開關型SPD兩大類。常用的電壓限制型元件有壓敏電阻和抑制二極管；常用的電壓開關型元件有放電間隙、氣體放電管、晶閘管（可控硅整流器）和雙向三極晶閘管。常見的SPD以電壓限制型SPD 為主，其構成元件絕大部分為壓敏電阻。因此，本文以壓敏電阻構成的電壓限制型SPD 為例，進行模擬失效試驗的分析。

二、壓敏電阻的工作原理

壓敏電阻一般與電器并聯使用。當壓敏電阻兩端所加電壓低于標稱壓敏電壓時，壓敏電阻的阻值接近無窮大，內部幾乎無電流流過，這樣就不影響電器設備的正常工作；當壓敏電阻兩端電壓高于標稱壓敏電壓時，壓敏電阻將迅速擊穿導通，并由高阻狀態變為低阻狀態，泄放掉絕大部分的浪涌電流，從而保護了電器設備，此時，當其兩端電壓低于標稱壓敏電壓時，壓敏電阻又能自動恢復到高阻狀態。

壓敏電阻在高電壓下能迅速變為低阻抗，當高電壓消失時，又能迅速恢復到高阻抗的特性取決于壓敏電阻的U-I 特性曲線。ZnO 壓敏電阻器的U-I特性呈現出特殊的非線性，如圖1所示，其U-I特性曲線可以分為預擊穿區、擊穿區和回升區三個部分。當電壓值達到擊穿電壓的數值以前，壓敏電阻接近于絕緣體；而在電壓高過擊穿電壓時，壓敏電阻呈現出導體的性質。預擊穿區和擊穿區是元件的主要工作區。預擊穿區是線性的小電流區段，其U-I特性是線性的。當電壓升高到超過其拐點電壓時，壓敏電阻進入擊穿區。這個區段間是壓敏電阻工作的核心區段。這時候，電壓的微小增大變化會引起電流的急劇上升。回升區是元件可能受到破壞的區域，在這個區段，壓敏電阻的U-I特性再次趨向線性，就像預擊穿區一樣，但這時候其電壓隨電流增大而上升的速度要快得多。

雖然壓敏電阻的工作電流非常小，但由于泄漏電流的存在，長期使用后有可能使壓敏電阻短路劣化，或者當壓敏電阻吸收的能量大于其能量耐量時，也可能出現短路劣化。此外，當壓敏電阻兩端電壓超過其最大限制電壓時，壓敏電阻將完全擊穿損壞，一般會使壓敏電阻呈現低阻抗而無法自行恢復到高阻抗。這時的壓敏電阻如果仍然連接在電路中就會產生安全隱患。所以，一般由壓敏電阻構成的電涌保護器（SPD）一般都帶有一個內部的脫離裝置，在壓敏電阻短路劣化時，將SPD 從電力系統中切斷開，從而防止火災等類似災害的產生。那么，這個脫離裝置就需要有一定的要求，當壓敏電阻短路劣化時，能將SPD從電力系統切斷開，這個功能通過標準IEC 61643-11：2011 中的8.5.3.2 條款，即SPD的模擬失效試驗來進行驗證。

圖1 壓敏電阻的U-I 曲線圖

三、SPD 模擬失效試驗

1.試驗方法

SPD模擬失效試驗的試驗電路圖如圖2所示，時序圖如圖3 所示。從圖中可以看出，SPD模擬失效試驗分為短路失效預處理試驗和短路電流試驗兩部分。其中短路失效預處理部分的電源電壓需滿足以下要求：（1） Uc不超過440V的SPD，施加1200V 的電壓；（2） Uc 高于440V 的SPD，施加等于3倍Uc的電壓。

短路試驗的電源電壓為UREF，試驗電流依次為100A、500A、1000A 以及制造廠聲稱的額定短路電流。在預處理試驗結束和施加UREF 電壓之間的時間間隔應盡可能短，不應超過100ms。

圖2. SPD 失效模擬試驗電路圖

圖3. SPD 失效模擬試驗時序圖

2.失效預處理試驗的試驗電流Ip

根據壓敏電阻的U-I 特性曲線可知，如果失效預處理試驗電流Ip 取值過小或未經過預處理試驗直接施加UREF（一般為255V）在SPD上，壓敏電阻根本不會導通，起不到預期的效果；如果預處理試驗電流Ip 取值太大，又會導致壓敏電阻直接燒毀，同樣模擬不了壓敏電阻的短路失效。只有預處理試驗電流Ip選取適當的值，使壓敏電阻在預處理試驗階段完成短路失效的目的，才能使后續的短路電流試驗順利進行，從而確定電涌保護器的脫離裝置是否有效。

結束語

電涌保護器是廣泛用在低壓配電系統中用于抑制過電壓、泄放電涌電流的低壓電器，其核心元器件通常是壓敏電阻。由于壓敏電阻在長期老化或者暫時過電

壓的作用下會發生短路失效，導致SPD上流過低壓配電系統在其安裝位置上的預期短路電流。SPD模擬失效試驗失效電流的選取對整個試驗具有至關重要的影響，選擇的電流過小時壓敏電阻沒有短路失效，后續的短路試驗就變得沒有意義。

參考文獻

[1]GB 18802.1-2011低壓電涌保護器（SPD） 第1部分：低壓配電系統的電涌保護器性能要求和試驗方法

[2]IEC 61643-11：2011 Low-voltage surge protective devices- Part 11：Surge protective devices connected to low-voltagepower systems – Requirements and test methods