電涌保護(hù)器熱脫扣電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)熱穩(wěn)定可靠性影響的研究

雷全學(xué) 肖敏

摘 要：電涌保護(hù)器的熱穩(wěn)定脫扣裝置是SPD短路過(guò)流保護(hù)的主要措施之一，SPD劣化短路時(shí)應(yīng)該迅速脫離電網(wǎng)，避免前端電源設(shè)備損壞、起火等一系列問(wèn)題發(fā)生。由于電網(wǎng)容量的不斷加大、新能源系統(tǒng)（光伏、風(fēng)電）的推廣應(yīng)用，線路電壓及電流呈增高增大趨勢(shì)，這對(duì)SPD故障時(shí)可靠脫離電網(wǎng)的技術(shù)要求越來(lái)越高。本文通過(guò)熱穩(wěn)定試驗(yàn)對(duì)比測(cè)試兩種不同的SPD氧化鋅閥片熱脫扣電極結(jié)構(gòu)，通過(guò)結(jié)果分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)熱脫扣可靠性的影響，從而為SPD的結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)建議，以便提升電源系統(tǒng)安全可靠性。

關(guān)鍵詞：熱脫扣結(jié)構(gòu)；SPD熱穩(wěn)定；SPD脫扣；脫扣電極

中圖分類號(hào)：TM862 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）14-0183-02

現(xiàn)階段電涌保護(hù)器在電力、通信、新能源、建筑物領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其運(yùn)行的可靠性和安全性直接影響雷電防護(hù)性能。電涌保護(hù)器設(shè)計(jì)中的脫扣裝置熱穩(wěn)定可靠性是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。浪涌保護(hù)裝置因遭受強(qiáng)大雷電沖擊或者持續(xù)運(yùn)行老化后內(nèi)部核心元件壓敏電阻（MOV）會(huì)劣化失效變?yōu)榈妥杌蚨搪窢顟B(tài)，如果SPD不能迅速脫離電網(wǎng)將會(huì)導(dǎo)致本體或者周邊裝置起火燃燒，造成火災(zāi)事故。熱脫扣結(jié)構(gòu)是便于SPD短路后從電網(wǎng)迅速斷開的熱保護(hù)裝置。

SPD熱脫扣裝置按受熱方式主要分為直熱脫扣和旁熱脫扣。熱量通過(guò)SPD氧化鋅閥片金屬電極傳導(dǎo)至脫扣低溫點(diǎn)的方式為直熱脫扣。目前市面上大部分SPD都采用直熱脫扣方式，實(shí)際應(yīng)用中，SPD脫扣不徹底和不脫扣的情況時(shí)有發(fā)生。針對(duì)上述問(wèn)題，本研究從技術(shù)層面試驗(yàn)分析SPD氧化鋅閥片電極結(jié)構(gòu)，通過(guò)熱穩(wěn)定對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，為SPD熱脫扣穩(wěn)定可靠性提供設(shè)計(jì)依據(jù)和理論支撐。

1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SPD熱穩(wěn)定測(cè)試的技術(shù)要求

SPD產(chǎn)品檢測(cè)試驗(yàn)項(xiàng)目中，熱穩(wěn)定試驗(yàn)是安全性能驗(yàn)證的一個(gè)重要項(xiàng)目。根據(jù)GB18802.1-2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：熱穩(wěn)定試驗(yàn)將試驗(yàn)樣品連接到工頻電源，提高的電源電壓使SPD有電流流過(guò)[1]。考察SPD在通過(guò)過(guò)電流情況下達(dá)到熱平衡，在無(wú)法達(dá)到熱平衡后脫扣裝置是否可以準(zhǔn)確動(dòng)作；（SPD僅包含電壓開關(guān)型件的SPD不進(jìn)行本試驗(yàn)。）通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T1235.2-2002對(duì)熱穩(wěn)定試驗(yàn)要求更為嚴(yán)格，SPD試驗(yàn)電流相應(yīng)為 5000、2500、1000、320、80、20mAr.m.s，電流持續(xù)流過(guò)，容許偏差為±10%[2]。每一電流值應(yīng)持續(xù)一段時(shí)間，直到SPD達(dá)到熱平衡，即在10min內(nèi)其溫度的增加值<2℃。如果SPD脫扣裝置動(dòng)作，就中止該電流值的試驗(yàn)。更新試品并繼續(xù)進(jìn)行余下電流值試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，不斷監(jiān)測(cè)SPD的表面溫度和SPD流過(guò)的電流。試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足下述要求：

（1）SPD持續(xù)通過(guò)每一檔試驗(yàn)電流等級(jí)時(shí)，都應(yīng)能達(dá)到熱平衡或使其分離裝置動(dòng)作；（2）在試驗(yàn)期間，SPD的表面溫度應(yīng)始終低于120℃；分離裝置動(dòng)作后5min內(nèi)，SPD的表面溫度應(yīng)低于80℃；（3）如果SPD的分離裝置動(dòng)作，則應(yīng)對(duì)SPD施加2Uc的工頻電壓，持續(xù)1min，此時(shí)應(yīng)無(wú)超過(guò)0.5mAr.m.s的電流流過(guò)SPD。

用于光伏系統(tǒng)的電涌保護(hù)器（SPD）性能要求和試驗(yàn)方法GB/T 18802.31-2016對(duì)于以上兩者標(biāo)準(zhǔn)的熱穩(wěn)定試驗(yàn)要求更甚嚴(yán)格，除了以上兩者試驗(yàn)相同標(biāo)準(zhǔn)外，增加了最后的續(xù)流遮斷，需繼續(xù)加電至少1min來(lái)檢查是否復(fù)燃，在該過(guò)程后，或在少于30s內(nèi)加電到Ucpv，保持15min來(lái)檢查穩(wěn)定性[3]。

2 SPD氧化鋅閥片與導(dǎo)電電極連接結(jié)構(gòu)

2.1 單只MOV電極片結(jié)構(gòu)

單只的MOV一般由一個(gè)基片（氧化鋅閥片）和兩個(gè)導(dǎo)電電極組成，如圖1所示，為增加焊接可靠性和減少接觸電阻，電極片材料一般為紫銅鍍銀或者紫銅熱浸錫工藝。在設(shè)計(jì)上實(shí)心圓孔結(jié)構(gòu)圖2和中空回型結(jié)構(gòu)圖3兩種方式。

2.2 工作原理

SPD脫扣裝置工作原理是當(dāng)保護(hù)電路漏電流增大，氧化鋅發(fā)熱，熱量直接通過(guò)壓敏電阻的金屬引腳（電極）或者通過(guò)元件表面接觸以及空氣散熱等方式傳導(dǎo)至脫扣電極，脫扣電極受熱升溫，達(dá)到一定溫度時(shí)發(fā)生脫扣。而脫扣電極一般都是串聯(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，保證設(shè)備的安全。

3 熱穩(wěn)定測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)方案：熱脫扣點(diǎn)低溫焊錫熔點(diǎn)145℃，基片選擇同一品牌同一批次，將以上兩種不同電極結(jié)構(gòu)的試品進(jìn)行熱穩(wěn)定試驗(yàn)，對(duì)比其模塊脫扣面溫度分布和狀態(tài)。本次試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：通信行業(yè)YD/T1235.2-2002，選取試驗(yàn)流過(guò)電流5000、2500、1000、320mAr.m.s進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，通過(guò)數(shù)據(jù)記錄及分析得出不同電極的熱脫扣對(duì)熱穩(wěn)定可靠性的影響。實(shí)驗(yàn)儀器清單表1所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

脫扣電極熱穩(wěn)定對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（室溫23℃）如表2所示。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)熱穩(wěn)定試驗(yàn)，為兩種結(jié)構(gòu)樣品提供相同的試驗(yàn)條件，在其過(guò)程中兩種結(jié)構(gòu)的試品脫扣電極表現(xiàn)出的性能不盡相同，熱傳導(dǎo)效果明顯不同。圖4、圖5所示，圓孔實(shí)心電極與基片貼合方式熱度分布在電極整個(gè)面，傳導(dǎo)到低溫脫扣點(diǎn)速度較慢，影響了脫扣效果，提高了MOV熱擊穿、不脫扣的概率；圖6、圖7所示，回型結(jié)構(gòu)電極與基片貼合方式熱量傳遞到低溫脫扣點(diǎn)的速度快，且集中，提高了MOV脫扣可靠性和安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

在中低壓電涌保護(hù)器脫扣電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為提高其熱穩(wěn)定可靠性，電極脫扣熱穩(wěn)定可靠性能與電極片的貼合基片的表面積有關(guān)，適當(dāng)減小電極與基片的貼合面積，脫扣的穩(wěn)定性越好，迅速分離電路能力越強(qiáng)，從而有效地提高熱穩(wěn)定可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]GB 18802.1-2011《低壓電涌保護(hù)器（SPD）第1部分：低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器性能要求和試驗(yàn)方法》[S].

[2]YD/T1235.2-2002.《通信局（站）低壓配電系統(tǒng)用電涌保護(hù)器測(cè)試方法》[S].

[3]GB/T 18802.31-2016.《低壓電涌保護(hù)器特殊應(yīng)用（含直流）的電涌保護(hù)器第31部分：用于光伏系統(tǒng)的電涌保護(hù)器（spd）性能要求和試驗(yàn)方法》[S].