氧化類電壓限制型電涌保護器動作負載試驗研究

賈志強 張利華 田艷茹

(1.北京市大興區氣象局 北京 102600；2.北京雷電防護裝置測試中心 北京 102600)

1 概述

隨著國民經濟的高速發展以及現代化水平的提高，氧化鋅電壓限制型低壓配電電涌保護器(以下簡稱SPD)已被廣泛用于郵電通訊、電力、鐵道、機場、石化、工民建等各個行業。隨著SPD的大量使用，由其造成的火災事故和雷電防護失效凸顯起來[1]。國外許多專家把電涌保護器起火現象稱之“防雷工作的次生災害”，自1967年日本松下公司發明了電壓限制型低壓配電電涌保護器至今，起火現象一直是防雷工作有效發展中的瓶頸。美國消費品安全委員會(CPSC)透露，已收到700起電涌保護器過熱和熔化的報告，以及55起因冒煙起火造成的財產損失報告[2-3]。國內每年電壓限制型低壓配電電涌保護器火災事故高達上萬起，給國家和企業造成了巨大的經濟損失[1]。

SPD起火事故引起了防雷行業的高度重視，目前國內市場SPD產品質量基于《低壓電涌保護器(SPD)》(GB/T 18802.1-2011)標準，且不能夠適應國際標準IEC 61643-11-2011，提高SPD產品性能和標準迫在眉睫。已經送審的GB/T 18802.11標準進一步明確了負載側功率特性動作負載試驗及功率特性的產品標識。很顯然，GB/T 18802.11更加重視和強化了電涌保護器在工作狀態(有標識下的額定負載電流/功率的狀態)下對電涌保護器的保護特性，要求在負載端安裝的電涌保護器必須標明標稱擬定被保護的負載工作電流。為了配合新標準的制定和實施，本文依托“低壓電涌保護器(鉗壓型)動作負載研究”科研課題，做一些相關試驗研究。

2 低壓配電電涌保護器故障起火機理

氧化鋅變阻器類電壓限制型低壓配電電涌保護器起火的原因很多，其中包括：動作負載的著火故障、單相接地過電壓起火故障、高低壓共地耦合轉移過電壓起火故障、失零過電壓起火故障、雷擊續流起火故障及相電壓相續高壓故障等。

國內外及行業標準中要求電壓限制型低壓配電電涌保護器安裝后備過流保護裝置，目的是當電壓限制型低壓配電電涌保護器出現起火短路故障時，保護裝置能夠迅速切斷電路，避免保護開關出現越級脫扣，造成電源系統大面積斷電[4-5]。另外一個作用是防止電源系統出現電壓異常升高導致電壓限制型低壓配電電涌保護器啟動流入工頻電流起火。很遺憾目前所有的斷路設備(各種斷路器、熔斷器)均在電壓限制型低壓配電電涌保護器起火時無法斷開，因為電壓限制型低壓配電電涌保護器起火時起始保護器故障電流較小而達不到斷路裝置的工作電流，造成氧化鋅變阻器類電壓限制型低壓配電電涌保護器起火。

3 試驗設計及數據分析

3.1 試驗目的

氧化鋅變阻器類電壓限制型電涌保護器，需在電涌保護器最大持續工作電壓下施加擬定被保護負載的功率(通常以負載工作電流為代表)，安裝工頻電流/電壓的正弦波設定的角度下實施模擬雷電流沖擊實驗，觀察電涌保護器的各種系統工作狀態，用以確定是否發生續流下的著火現象，測試目前國內SPD產品在國際標準和國內送審的新標準下的實驗性能和質量情況。

3.2 試驗依據

試驗參照標準：(1)《低壓電涌保護器(SPD)第11部分：低壓配電系統電涌保護器性能要求和試驗方法》(IEC 61643-11-2011)；(2)《低壓電涌保護器(SPD)第11部分：低壓配電系統電涌 保護器性能要求和試驗方法》(GB/T 18802.11-20××)送審稿[6]；(3)《低壓電涌保護器(SPD)第1部分：低壓配電系統電涌保護器性能要求和試驗方法》(GB/T 18802.1-2011)。

3.3 試驗系統流程(見圖1)

圖1 試驗系統流程

3.4 試驗數據及分析

試驗試品為市場采購品，分10組進行試驗，每組3只樣品。試驗設備包括三進單出大功率隔離變壓器，1 500 A交流負載柜，模擬雷擊電流發生器，動作負載測試系統，高溫試驗設備，分壓器、分流器等其他輔助試驗設備。

3.4.1 試品第一次Up前期預測試驗循環試驗

對每只SPD進行20 kA(8/20)三次沖擊，然后對試品的Up進行測試，掌握試品試驗前的初始電壓保護水平Up。

將所得數據做Up-沖擊電流In坐標圖(kV-kA)，如圖2所示，經分析發現：坐標點分布在斜率為0.272 kV/kA，垂直寬為0.42 kV，而且上沿經過(18.5 kA，1.32 kV)坐標點，下沿經過(18.5 kA，0.9 kV)坐標點的向上傾斜的通道內；為了后面的分析對比，我們定義這個通道為初始狀態通道，并記下通道位置；為了過濾掉試驗沖擊電流In的波動對Up的影響，我們引入了Up/In這一參數，根據數據計算，得到預計Up與沖擊電流In的初始比值為：(Up/In)0＝0.078 0 kV/kA。

圖2 第一次Up前期預測試驗(Up/In)圖

3.4.2 試品系統Uc預測試驗

系統Uc預測試驗是將試品兩端加上Uc，在烘箱85°溫度環境48 h老化，使試品內部形成的結構更加牢固穩定，逐漸使其理化性能、電氣學特性更加趨于穩定和正常；老化試驗后隨即測量參考Up值。

將所得數據做Up-沖擊電流In坐標圖(kV-kA)，并疊加上一步驟所得初始狀態通道，如圖3所示。

圖3 系統Uc預測試驗(Up/In)圖

對圖3進行分析，發現一部分落點向通道上沿移動，有的超過了上沿，大部分保持在第一次Up前期預測試驗的落點區域內，少部分向下移動分散，(Up/In)1＝0.079 8 kV/kA。雖然這只是試驗過程的中間環節，但可以說明，我們在市場上隨機采購的試品質量是參差不齊的。

3.4.3 試品第二次Up預測試驗

依據標準，對冷卻后每只試品進行3次20 kA(8/20)電流沖擊，測試Up。

將所得數據做Up-沖擊電流In坐標圖(kV-kA)，并疊加初始狀態通道，如圖4所示。

圖4 第二次Up預測試驗(Up/In)圖

從圖4可知，落點分布與上一試驗圖(系統Uc預測試驗圖)相似，沒有大的變化，(Up/In)2＝0.081 1 kV/kA。

3.4.4 初始In沖擊電流試驗

對冷卻至室溫后的試品進行In20 kA(8/20)下的雷擊電流沖擊，正反極性各5次，依據標準實施試驗冷卻間歇；試驗結果：所有試品均未見異常。

3.4.5 試品Imax沖擊電流試驗

依據標準對試品進行Imax下的雷擊電流沖擊，正反極性各一次，依據標準實施試驗冷卻間歇。試驗結果見表1。由表1可以看出，有4只試品內部脫扣。

表1 對試品進行Imax 40 kA(8/20)正反極性各一次沖擊

3.4.6 試品第三次Up測試試驗

試品冷卻至室溫后，進行In20 kA(8/20)下的雷擊電流沖擊，將所得數據做Up-沖擊電流In坐標圖(kV-kA)，并疊加初始狀態通道，如圖5所示。

圖5 第三次Up預測試驗(初始Imax沖擊電流正負各一次后測試殘壓)

圖5中顯示，除了4只脫扣試品，其余試品Up值均未有明顯的變化，落點仍在初始通道內，其電氣性能未受損壞，(Up/In)3＝0.082 7 kV/kA；[(Up/In)3-(Up/In)2]/(Up/In)3*%＝1.9%。可見，(Up/In)變化率只有1.9%，很小。

3.4.7 試品初始5 A預處理試驗

依據標準中相關要求，在試品兩端施加Uc電壓，輸出功率為5 A負載。在Uc正弦波的30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、360°實施In下的電流沖擊，觀察動作負載情況，依據標準實施試驗冷卻間歇。試品全部通過測試。

3.4.8 300 A動作負載循環試驗

試品冷卻至室溫后，在兩端施加Uc電壓，輸出功率為300 A負載。在Uc正弦波的30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、360°實施In下的電流沖擊，觀察動作負載情況，依據標準實施試驗冷卻間歇。

數據結果：試品全部通過測試。

3.4.9 1 500 A動作負載循環試驗

試品冷卻至室溫后，在兩端施加Uc電壓，輸出功率為1 500 A負載。在Uc正弦波的30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、360°實施In下的電流沖擊，觀察動作負載情況，依據標準實施試驗冷卻間歇。

數據結果見表2。由表2可知，有11只試品損壞起火，僅15只試品通過了試驗。

表2 1 500 A動作負載循環試驗數據

3.4.10 試品第四次Up測試試驗

冷卻至室溫后，依據標準對試品進行三次In20 kA(8/20)下的雷擊電流沖擊，讀取Up值，做Up-沖擊電流In坐標圖(kV-kA)，并疊加初始狀態通道，如圖6所示。

圖6 第四次Up預測試驗(1 500 A動作負載循環試驗后，Uc385In沖擊記錄殘壓)

有11只試品未通過1 500 A動作負載循環試驗；15只試品通過了全部測試。通過測試的15只試品，其Up在Up-沖擊電流In坐標圖(kV-kA)上的落點，一部分略有向上的變化，(Up/In)4＝0.083 4 kV/kA。

3.4.11 典型波形分析

從圖7a可以看到線路波形在沖擊前保持負載電壓的正弦波形，沖擊時SPD短路著火，線路電壓歸零，波形是接近零軸的直線；從圖7b可以看出，沖擊后SPD自恢復性能良好，線路電壓波形恢復為負載電壓波形；從圖7c可以看出，沖擊后SPD自恢復性能良好，線路電壓波形恢復為負載電壓波形。

圖7 典型波形分析

4 試驗總結

在工頻1 500 A動作負載試驗中，損壞著火均出現在0～90°工頻角和180°～270°工頻角，拆開損壞的試品，發現著火多數存在4個邊角著火，也存在4個角著火。在通過1 500 A工頻動作負載試驗的產品中，也有6只脫扣未著火，拆開后發現MOV芯片有工頻電流通過的微小痕跡，內部脫扣裝置實現了負載電流的阻攔，SPD與負載電源脫離未發生著火。存在差異的原因，是由于試品的制作工藝、技術及配方的差異形成的。由試驗數據分析得出，一部分試品通過了試驗，而另一部分試品出現了著火損壞。低溫焊錫絲、溫度軟金屬、拉力彈簧的彈性系數、合金彈片的物理構成與彈性系數與負載電流的關系等都是影響動作負載SPD脫扣的原因。

通過試驗，驗證了在一定的負載電流條件下，雷電沖擊配電系統，可以造成負載電流通過配電系統電涌保護器短路，引起起火，而內部脫扣裝置正常動作切斷負載電流則能夠避免著火。