配電浪涌保護器在多波形多脈沖電流下的耐受特性

何雨微，劉 劍，宋 佳，徐坤婷，王 芳，盧家駒，章 瑋，姜 建，傅正財

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009；2.上海交通大學，上海 200030）

0 引言

浙江省是雷電活動頻繁的省份，因雷擊引起的線路跳閘次數(shù)約占總跳閘次數(shù)的60%[1]。用于低壓配電系統(tǒng)高暴露點防雷保護的Ⅰ級SPD（浪涌保護器）承擔著泄放雷電流的主要任務(wù)，其中限壓型SPD 的限壓元件是MOV（金屬氧化物壓敏電阻閥片）。國內(nèi)外標準中對SPD 脈沖電流耐受能力的測試波形主要是8/20 μs 和10/350 μs（高暴露點SPD）單脈沖電流，對SPD 吸收能量的測試波形主要是10/1 000 μs 長波和2 ms 方波電流[2-4]。然而雷電觀測表明，70%的地閃過程有多重性，連續(xù)脈沖次數(shù)在2～20 次（平均3～4 次），時間間隔大多在15～150 ms（平均30～40 ms），雷電持續(xù)過程一般在20 ms～1 s，平均持續(xù)時間為200 ms[5-9]。IEC 將典型的雷電流成分總結(jié)描述為2 種短持續(xù)時間雷電流和2 種長持續(xù)時間雷電流[10-15]。

雖然國家標準GB 18802.1—2011 中要求，SPD 產(chǎn)品必須通過一系列型式試驗和出廠試驗后才能安裝使用[2]，然而實際使用中，即使通過了標準試驗的SPD 產(chǎn)品仍然可能出現(xiàn)雷擊損壞事故[16-17]。文獻[18-19]曾多次觀測到雷擊配電系統(tǒng)SPD 造成的多重回擊電流，證實了雷擊SPD 時存在多重回擊電流可能導(dǎo)致SPD 損壞。美國電科院也多次測量到配電線路避雷器中后續(xù)回擊產(chǎn)生的放電電流，因此美國IEEE 最新配電線路防雷標準在分析避雷器能量吸收能力時，認為要考慮并進一步研究避雷器多重雷擊特性[15]。

目前，IEC 和IEEE 提出的SPD 測試標準只用單波形單脈沖電流進行試驗，由于實際雷電流往往包含多種電流成分、多個脈沖，標準規(guī)定的脈沖電流是否能等效模擬真實雷電流的效果，仍是值得研究的問題。國內(nèi)外已開展的SPD 多脈沖電流試驗研究也大多使用8/20 μs 電流重復(fù)多脈沖，無法模擬自然雷電流中含有的長持續(xù)時間電流分量，以及波頭時間極短的陡波沖擊電流對SPD 的作用效果[20]。更新現(xiàn)有標準測試方法和測試要求的必要性、以及采用更接近真實雷電流的多波形多脈沖電流測試SPD 的可行性與效果，仍值得研究。

為了降低高暴露點SPD 的故障概率、提升SPD 的耐雷性能，有必要系統(tǒng)地研究配電SPD 在更接近實際雷電流的脈沖電流作用下的耐受特性。本文采用MWMPC（多波形多脈沖電流）來模擬真實雷電流，開展Ⅰ級SPD 閥片在MWMPC下的耐受試驗，分析SPD 閥片的耐受特性及其在MWMPC 下的損壞形式，并與標準測試電流下的閥片耐受特性進行對比。考慮到MWMPC 的電流特征與多重雷電流分量的變化特性，分析了不同脈沖電流幅值、多脈沖時序與脈沖時間間隔對試驗結(jié)果的影響。SPD 閥片通常會在整個瓷片表面涂覆絕緣涂層，用于防止ZnO 壓敏電阻片發(fā)生閃絡(luò)，但可能影響閥片散熱，從而影響SPD 閥片在沖擊電流下的耐受能力。本文還對比分析了有、無絕緣涂層對閥片在MWMPC 下耐受性能的影響。本文設(shè)計的MWMPC 試驗方案可為拓展配電SPD 試驗技術(shù)提供參考，特別是用于測試位于高暴露點、可能遭受直擊雷危害的SPD 產(chǎn)品；得到的MWMPC 試驗結(jié)果可為提升MOV 的耐雷性能提供參考。

1 多波形多脈沖電流下SPD 閥片耐受試驗布置

1.1 多波形多脈沖電流耐受試驗方案

國內(nèi)外觀測結(jié)果表明，自然雷電流常由多個脈沖、不同成分的電流組成，包括具有高陡度、高幅值的短時間雷電流分量和具有大電荷量、高單位能量的長持續(xù)時間雷電流[3-4，15-20]。要模擬真實的雷擊SPD 效果，須涵蓋包含首次回擊電流、后續(xù)回擊電流和回擊間持續(xù)電流這3 種成分，而且一次完整的雷擊常包含不止一個后續(xù)回擊電流，IEC 62305—1 中對雷電流分量的可能組成方式進行了總結(jié)和描述[4]。

本節(jié)提出的MWMPC 包含一個10/350 μs 沖擊電流模擬的首次回擊電流，一個2 ms 方波電流模擬的回擊間持續(xù)電流以及2 個波前時間約為1 μs 的陡波沖擊電流（波形約0.9/3 μs，以下簡稱“1 μs 陡波沖擊電流”）模擬的后續(xù)回擊電流[20]。該MWMPC 包含了自然雷電流中的2 種短持續(xù)時間分量和一種長持續(xù)時間分量，其各個波形又是標準中要求的測試波形。用該MWMPC 模擬自然雷電流對高暴露點的Ⅰ級SPD 進行試驗，既能夠模擬實際雷擊SPD 的作用效果，又能和標準已有的單脈沖電流測試效果進行對比，具有模擬雷擊效應(yīng)真實、可對比性高的特點。

考慮到實際運行中SPD 應(yīng)能耐受不止一次多重雷擊，并且標準中的許多循環(huán)試驗都以3 組沖擊電流作為基準（如動作負載試驗），因此設(shè)計的多波形多脈沖電流試驗也包含3 組MWMPC，每組間隔30 min。此外，自然雷電流的組成方式往往是變化的，為了模擬不同雷電流的作用效果，本文考慮了MWMPC 的不同特征參數(shù)（即電流幅值、脈沖時序以及脈沖時間間隔）來開展MWMPC耐受試驗，每個試驗項目都需要對相同型號的3個樣品重復(fù)試驗3 次。具體試驗流程如下：

（1）記錄實驗室環(huán)境的氣壓、溫度和濕度，選擇一批用于試驗的Ⅰ級SPD 閥片。

（2）選擇一個新樣品，測量其電氣參數(shù)和尺寸，記錄試品的外觀照片。

（3）設(shè)定好MWMPC 各電流幅值、脈沖時序和脈沖間隔時間。

（4）對SPD 閥片施加一組MWMPC，記錄閥片上的電壓、電流波形，每次沖擊后若電壓電流波形沒有異常且閥片沒有明顯的外觀損壞，則間隔30 min 施加下一組MWMPC，直到3 組MWMPC施加完畢。

（5）施加每組MWMPC 后，若閥片電壓電流波形出現(xiàn)異常或閥片有外觀損壞，則停止試驗，判斷為試驗不通過。

（6）施加完3 組MWMPC 后，測量試品的電氣參數(shù)，記錄試品外觀照片，根據(jù)判據(jù)判斷試驗是否通過。

MWMPC 耐受試驗采用某大學高電壓試驗設(shè)備研發(fā)中心開發(fā)的多波形多脈沖沖擊電流發(fā)生器，如圖1 所示[15，20]。圖1 中4 套沖擊電流發(fā)生器分別輸出4 個脈沖電流，每個電流分量的參數(shù)、電流組合時序和脈沖時間間隔均可調(diào)可控。

圖1 多波形多脈沖電流耐受試驗系統(tǒng)

參考國內(nèi)外SPD 測試標準[2-3]，分析得出本文SPD 閥片試驗通過的判據(jù)，即試驗后的SPD 樣品需滿足：記錄的電壓電流波形和目測檢查不應(yīng)顯示試品有擊穿或閃絡(luò)的跡象；測試過程中閥片沒有可見的損傷；試驗前后閥片限制電壓（Ur）變化不超過10%；試驗前后閥片直流1 mA 參考電壓（U1mA）變化不超過10%。

由于每個試驗項目需對3 個相同的試品重復(fù)試驗3 次，試驗后若有2 個及以上的試品不滿足上述條件中的任何一項，則判斷為試驗不通過。若樣品通過試驗，則試驗結(jié)果中的Ur和U1mA的變化比例取3 個樣品的平均值，其他檢查結(jié)果取2 個以上樣品的相同結(jié)果。

1.2 試驗樣品及參數(shù)

為了對比研究不同型號及參數(shù)的SPD 閥片耐受雷電流的性能，選用了C 公司生產(chǎn)的3 種Ⅰ級SPD 閥片，其中包括1 種未加涂層的ZnO 裸片以研究涂層對閥片性能的影響。試驗樣品如圖2所示，其中CM621 由3 片并聯(lián)的C621 組成。SPD試驗樣品的參數(shù)如表1 所示，包括閥片尺寸（長×寬×高）、壓敏電壓、標稱放電電流In、Ⅰ級沖擊試驗電流幅值Iimp、8/20 μs 電流通流容量Imax、標稱放電電流殘壓Ur以及閥片是單片MOV 還是多片MOV 并聯(lián)。

圖2 試驗樣品照片

表1 試驗用SPD 閥片的尺寸及電氣參數(shù)

MWMPC 的幅值分別考慮了10/350 μs 沖擊電流、2 ms 方波電流和1 μs 陡波沖擊電流的可能取值。IEC 61643—11—2011 中，Ⅰ級動作負載補充試驗采用的10/350 μs 電流幅值分別為0.25Iimp，0.5Iimp，0.75Iimp和Iimp，因此本文MWMPC 中10/350 μs 沖擊電流的優(yōu)選幅值也采用0.25Iimp，0.5Iimp，0.75Iimp和Iimp。SPD 測試標準對2 ms 方波電流的幅值選取沒有明確要求，根據(jù)廠商推薦，方波測試電流幅值范圍在200～1 400 A。1 μs 陡波沖擊電流由于持續(xù)時間短、脈沖能量小，廠商推薦按標稱放電電流的幅值選取，考慮用在MWMPC 中有一定的降額，推薦優(yōu)選幅值為0.5In和In。

試驗中MWMPC 脈沖時序考慮了各脈沖電流的不同施加順序，將常見的“首次回擊電流+回擊間持續(xù)電流+后續(xù)回擊電流+后續(xù)回擊電流”的時序作為參考，改變回擊間持續(xù)電流和后續(xù)回擊電流的施加順序，即采用“首次回擊電流+后續(xù)回擊電流+回擊間持續(xù)電流+后續(xù)回擊電流”“首次回擊電流+后續(xù)回擊電流+后續(xù)回擊電流+回擊間持續(xù)電流”，來研究不同MWMPC 脈沖時序?qū)﹂y片耐受試驗結(jié)果的影響。

為了研究MWMPC 各脈沖的時間間隔對閥片耐受試驗結(jié)果的影響，試驗考慮了4 種多重雷擊電流可能出現(xiàn)的時間間隔，依次為20 ms，30 ms，60 ms 和100 ms，開展MWMPC 耐受試驗。

1.3 試驗測量設(shè)備

采用4 臺美國某公司生產(chǎn)的標準Rogowski線圈分別測量MWMPC 各電流發(fā)生器輸出的電流，變比分別為0.005，0.1，0.01 和0.01。采用1臺殘壓分壓器測量閥片上的殘壓，變比為21.74。4 臺TEK DPO3012 型雙通道數(shù)字示波器分別記錄首次回擊電流發(fā)生器、回擊間持續(xù)電流發(fā)生器和2 臺后續(xù)回擊電流發(fā)生器輸出的電流和閥片電壓波形。采用CJ2671 型耐壓測試儀和萬用表測量閥片的U1mA。

2 試驗結(jié)果

本節(jié)采用MWMPC 對SPD 閥片進行試驗，并與標準SPD 測試方法下的試驗結(jié)果進行對比。考慮到自然雷擊SPD 的多重回擊電流是可變的，試驗研究了MWMPC 不同特征參數(shù)的影響，包括電流幅值、多脈沖時序及時間間隔。

2.1 SPD 閥片在標準測試電流下的耐受試驗

IEC 和IEEE 標準建議用動作負載試驗（ODT）來測試SPD 在運行工況下耐受浪涌電流的性能，標準中使用15 次8/20 μs 沖擊電流，分為3 組，每組施加5 次，每次間隔50～60 s，每組間隔30 min。施加的8/20 μs 沖擊電流幅值采用SPD 閥片的標稱放電電流In。Ⅰ級SPD 閥片在施加完15 次8/20 μs 沖擊電流后，還要再施加幅值分別為0.25Iimp，0.5Iimp，0.75Iimp和Iimp的10/350 μs 沖擊電流[2-12]。

表2 展示了SPD 閥片在標準動作負載試驗下的耐受試驗結(jié)果，可以看出3 種SPD 閥片都能通過標準動作負載試驗，試驗后保持熱穩(wěn)定，直流1 mA 參考電壓（U1mA）和限制電壓（Ur）的變化均在要求范圍內(nèi)，閥片外觀沒有損壞。然而，標準動作負載試驗中的單脈沖8/20 μs 和10/350 μs沖擊電流無法模擬包含多種成分、多個脈沖的實際雷電流，現(xiàn)有脈沖電流試驗方法是否足以達到測試高暴露點Ⅰ級SPD 的效果，仍值得研究。

表2 標準動作負載試驗下的閥片耐受試驗結(jié)果

2.2 SPD 閥片在多波形多脈沖電流下的耐受試驗

本節(jié)對SPD 閥片開展了MWMPC 耐受試驗，采用的MWMPC 為一個10/350 μs 沖擊電流、一個2 ms 方波電流和2 個1 μs 陡波沖擊電流的組合。考慮到自然雷電流的幅值大小、多脈沖電流時序和脈沖間隔是變化的，本節(jié)也分析了這些MWMPC 參數(shù)對試驗結(jié)果的影響。此外，SPD 閥片和高壓MOV 的最大差別是SPD 閥片在整個外表面包裹有絕緣涂層，而涂層對SPD 閥片在MWMPC 下的耐受性能可能有影響，本節(jié)對此進行了分析。

2.2.1 多波形多脈沖電流幅值的影響

采用控制變量法，每個試驗項目只改變一種脈沖電流波形的幅值，分析MWMPC 中每種電流幅值變化對試驗結(jié)果的影響。其中MWMPC 的時序采用“10/350 μs 沖擊電流+2 ms 方波電流+1 μs陡波沖擊電流+1 μs 陡波沖擊電流”，脈沖間隔為30 ms，2 種SPD 閥片的試驗結(jié)果見表3、表4。

表3 中的試驗項目“F0.5Iimp+R400+S10+S10”表示首次回擊10/350 μs 電流幅值取0.5Iimp，2 ms方波電流幅值取400 A，1 μs 陡波沖擊電流幅值取10 kA。目測檢查發(fā)現(xiàn)損壞的閥片，若無特別說明則表示閥片在第3 組MWMPC 施加完后損壞，若閥片未施加完3 組MWMPC 目測檢測已發(fā)現(xiàn)損壞，則在“備注”里添加了閥片損壞前已施加的MWMPC 組數(shù)。“目測檢查”中的“大裂縫”表示試驗樣品的表面涂層有較大的裂縫，如圖3（a）所示；“穿孔”表示樣品上有貫穿的小孔，如圖3（b）所示；“炸裂”表示樣品碎成小塊，如圖3（c）所示；“炸裂穿孔”表示一種裂面上可見穿孔痕跡的炸裂損壞形式，樣品炸裂同時伴隨穿孔，炸裂缺口處有穿孔的跡象，如圖3（d）所示。

表3 C621 在不同幅值MWMPC 下的耐受試驗結(jié)果

表4 CM621 在不同幅值MWMPC 下的耐受試驗結(jié)果

由表3、表4 可知，10/350 μs 沖擊電流和2 ms 方波電流幅值變化對閥片在MWMPC 下的影響很大。如表3 試驗2 和3，表4 試驗10 和11，當10/350 μs 沖擊電流幅值從0.75Iimp增加到Iimp時，原本通過試驗的SPD 閥片分別出現(xiàn)了穿孔和大裂縫故障。2 ms 方波電流幅值增加也有類似情況。因此可以得出，10/350 μs 沖擊電流和2 ms方波電流的幅值增加對SPD 閥片帶來了能量吸收上的壓力。

圖3 SPD 閥片在MWMPC 下的損壞形式

模擬后續(xù)回擊的1 μs 陡波沖擊電流幅值變化對閥片吸收能量的影響很小，然而陡波電流的幅值增加也會增加SPD 閥片損壞的風險。如表3所示，試驗6 增加了第一個陡波沖擊電流幅值，SPD 單位體積吸收能量相比試驗1 僅增加了2.81%，為211.3 J/cm3，小于試驗2 的280.25 J/cm3，試驗6 雖然閥片單位體積吸收能量較試驗2 小，卻導(dǎo)致了通過試驗2 的閥片損壞。分析陡波電流增大使閥片失效的原因可知，可能是高陡度大幅值的電流對閥片的絕緣帶來威脅，使電極片和ZnO 壓敏電阻之間發(fā)生放電閃絡(luò)，導(dǎo)致周圍空氣和ZnO 壓敏電阻膨脹，從而可能造成閥片表面涂層開裂，在MWMPC 作用下甚至會伴隨更嚴重的穿孔和裂面上可見穿孔痕跡的炸裂損壞。由閥片損壞形式也可知，陡波電流幅值增大造成的損壞形式主要是涂層裂縫。

由表3、表4 還可知，多片并聯(lián)的CM621 閥片比單片C621 閥片耐受MWMPC 的性能更好。MWMPC 幅值變化對SPD 閥片的影響只有當10/350 μs 沖擊電流和2 ms 方波電流幅值較大時才明顯，如當10/350 μs 沖擊電流幅值從0.5Iimp增加到0.75Iimp時，2 種試驗前后的SPD 閥片性能沒有太大變化；而當10/350 μs 沖擊電流和2 ms 方波電流幅值大到一定程度時，此時的MWMPC 脈沖能量較大，改變幾種電流的幅值對閥片耐受MWMPC 性能的影響非常明顯。這個現(xiàn)象的出現(xiàn)可能是由于閥片損壞的最根本原因是過度的能量吸收。所以任何使閥片故障的MWMPC 都基于其攜帶能量較大的基礎(chǔ)之上，此時若再改變攜帶大能量的10/350 μs 電流和方波電流幅值、或改變具有高陡度的陡波沖擊電流幅值，容易導(dǎo)致SPD閥片損壞。

圖3 展示了SPD 閥片在MWMPC 下?lián)p壞的典型照片，主要有3 種損壞形式：

（1）涂層裂縫，即閥片表面涂層出現(xiàn)裂縫（大裂縫或小裂縫）。

（2）穿孔，即閥片上出現(xiàn)貫穿的小孔。

（3）裂面上可見穿孔痕跡的炸裂，即閥片炸裂成小塊且碎口處顯示有穿孔的跡象。其中，裂面上可見穿孔痕跡的炸裂是閥片在多波形多脈沖電流下特有的損壞形式，在以前的單脈沖試驗中未曾出現(xiàn)。

由試驗結(jié)果可知，對于試驗損壞的SPD 閥片，除個別試驗項目在施加第1、第2 組MWMPC后就發(fā)生閥片損壞外，大部分沒通過試驗的閥片都是在施加完3 組MWMPC 后失效或損壞，這也間接說明了施加3 組MWMPC 的合理性。

2.2.2 多波形多脈沖電流時序的影響

本節(jié)開展了不同電流時序的MWMPC 耐受試驗，將常見的“首次回擊電流+回擊間持續(xù)電流+后續(xù)回擊電流+后續(xù)回擊電流”的時序作為參考，改變回擊間持續(xù)電流和后續(xù)回擊電流的施加順序，分析其對試驗結(jié)果的影響。采用的MWMPC 脈沖間隔為30 ms，電流幅值主要考慮了2 種情況：

（1）2.2.1 小節(jié)試驗中SPD 損壞的MWMPC 幅值。

（2）2.2.1 小節(jié)試驗中SPD 未損壞的MWMPC幅值。

2 種SPD 閥片的試驗結(jié)果分別如表5、表6所示。

表5 C621 在不同時序MWMPC 下的耐受試驗結(jié)果

由表5、表6 可知，當回擊間持續(xù)電流出現(xiàn)在后續(xù)回擊電流之間時，MWMPC 對SPD 閥片的危害更大，如表5 中試驗19，表6 中試驗23 和25，當改變MWMPC 時序使2 ms 方波電流出現(xiàn)在2 個1 μs 陡波沖擊電流之間時，在參考時序下施加完3 組MWMPC，當故障的SPD 閥片改變脈沖時序后，在第二組MWMPC 施加完后就發(fā)生了損壞。由表5、表6 還可知，不是所有試驗項目都能展現(xiàn)脈沖時序?qū)υ囼灲Y(jié)果的影響，如表5中MWMPC 采用2.2.1 小節(jié)SPD未損壞的幅值“F0.75Iimp+R400+S10+S10”時，改變沖擊電流時序?qū)υ囼灲Y(jié)果的影響不明顯；只有采用某些能量攜帶較大的MWMPC 幅值時，脈沖電流時序變化對試驗結(jié)果的影響才非常明顯，這也間接說明了MWMPC 幅值對試驗結(jié)果的影響最大。

表6 CM621 在不同時序MWMPC 下的耐受試驗結(jié)果

分析脈沖時序改變后閥片更容易損壞的原因可能是在首次回擊10/350 μs 沖擊電流施加后，其攜帶的大能量使閥片內(nèi)部產(chǎn)生了一些缺陷；若緊接著施加大幅值高陡度的后續(xù)回擊電流，陡波電流帶來的機械應(yīng)力使閥片缺陷加重；此時若繼續(xù)施加大能量的方波電流，閥片缺陷會進一步受到加熱和熔化；最后一個陡波電流帶來的機械應(yīng)力最終導(dǎo)致閥片穿孔或炸裂。這種先大能量再高陡度電流、接著繼續(xù)施加大能量和高陡度電流的交替多脈沖沖擊過程，會使閥片內(nèi)部缺陷反復(fù)經(jīng)歷加熱、機械力、加熱和機械力的作用，更容易造成閥片損壞。

2.2.3 多波形多脈沖電流時間間隔影響

本節(jié)分析了不同時間間隔（20 ms，30 ms，60 ms 和100 ms）下MWMPC 對SPD 閥片的作用效果，采用的MWMPC 時序為“首次回擊電流+回擊間持續(xù)電流+后續(xù)回擊電流+后續(xù)回擊電流”，電流幅值考慮了2 種情況：

（1）在2.2.1 小節(jié)30 ms 脈沖間隔時，SPD 損壞的MWMPC 幅值。

（2）在2.2.1 小節(jié)30 ms 脈沖間隔時，SPD 未損壞的MWMPC 幅值。

試驗結(jié)果如表7、表8 所示。由試驗結(jié)果可知，MWMPC 的脈沖間隔時間越短，SPD 閥片在MWMPC 下越容易損壞。如表7 中的試驗30、表8 中的試驗33，當脈沖間隔時間縮小到20 ms時，通過其他時間間隔試驗的SPD 閥片均出現(xiàn)了故障；而隨著脈沖時間間隔的增加，損壞的SPD閥片減少，如表7 中的試驗32，當脈沖間隔增加到100 ms 時，原本在其他時間間隔下故障的SPD 閥片都能順利通過試驗。

表7 C621 在不同時間間隔MWMPC 下的耐受試驗結(jié)果

表8 CM621 在不同時間間隔MWMPC 下的耐受試驗結(jié)果

經(jīng)過分析可知，多脈沖電流的時間間隔越短，MWMPC 對SPD 閥片的損壞越嚴重的原因是由于多脈沖電流對閥片劣化效應(yīng)的累積作用。當多脈沖電流以幾十毫秒的時間間隔施加在閥片上時，這個間隔時間太短以至于每個脈沖施加后閥片都無法達到熱平衡，多個脈沖連續(xù)施加的熱量累積導(dǎo)致閥片溫度迅速升高因而可能發(fā)生熱崩潰。并且，更短的脈沖間隔時間會促進閥片表面閃絡(luò)，這也會導(dǎo)致涂層裂縫和其他更嚴重的閥片故障。

本節(jié)對時間間隔影響進行分析發(fā)現(xiàn)，不是所有試驗項目都可以展現(xiàn)脈沖時間間隔變化對試驗結(jié)果的影響。MWMPC 幅值對試驗結(jié)果的影響最大，當MWMPC 幅值使閥片單位體積吸收能量較大時，改變電流時序和時間間隔，對試驗結(jié)果的影響十分明顯。

圖4 展示了不同時間間隔MWMPC 耐受試驗過程中幾種典型的閥片電壓電流波形。其中圖4（a）展示了時間間隔20 ms 時閥片上的電壓電流波形；圖4（b）展示了時間間隔60 ms 時閥片上的電壓電流波形；圖4（c）展示了時間間隔100 ms時閥片上的電壓電流波形；圖4（d）展示了20 ms時間間隔下故障閥片的電流電壓波形。

圖4 不同時間間隔試驗記錄的典型閥片電流電壓波形

2.2.4 涂層對閥片在多波形多脈沖電流下耐受性能的影響

本節(jié)研究了未涂覆絕緣涂層的ZnO 裸片在MWMPC 下的耐受性能。同樣地，考慮了不同電流幅值、脈沖時序和時間間隔的影響，并和具有相同電氣幾何參數(shù)、涂有環(huán)氧樹脂絕緣層的C621 型MOV 進行對比，分析絕緣涂層的有無對SPD 閥片在MWMPC 下耐受性能的影響。表9—11 分別展示了ZnO 裸片在不同電流幅值、不同脈沖時序以及不同時間間隔MWMPC 下的耐受試驗結(jié)果。

表9 ZnO 裸片在不同幅值MWMPC 下的耐受試驗結(jié)果

由表9 可知，MWMPC 的幅值增加使ZnO 裸片更容易損壞。由表10 可知，改變MWMPC 的時序，當方波出現(xiàn)在2 個陡波電流之間時，ZnO裸片更容易故障。這些試驗結(jié)果都和2.2.1，2.2.2小節(jié)的分析吻合。

表10 ZnO 裸片在不同時序MWMPC 下的耐受試驗結(jié)果

表11 ZnO 裸片在不同時間間隔MWMPC 下的試驗結(jié)果

將表9—11 的試驗結(jié)果分別與C621 型SPD的試驗結(jié)果進行對比可知，當采用相同的MWMPC 對閥片進行試驗時，ZnO 裸片的耐受性能優(yōu)于C621 型SPD。對比表3 和表9 知，C621在試驗5 出現(xiàn)了涂層大裂縫，而ZnO 裸片可以順利通過相同的試驗42。同樣地，對比表5 和表10知，當MWMPC 取幅值“F0.75Iimp+R600+S10+S10”時，改變脈沖時序C621 在第2 組脈沖施加后就出現(xiàn)了故障，而ZnO 裸片在施加完3 組脈沖后僅出現(xiàn)了小裂縫。對比表7 和表11 知，當MWMPC取幅值“F0.75Iimp+R600+S10+S10”時，C621 只有在脈沖間隔100 ms 時才能通過試驗，而ZnO 裸片可以通過脈沖間隔為20 ms，30 ms，60 ms 和100 ms 的所有試驗。ZnO 裸片在MWMPC 下的損壞形式是表面閃絡(luò)、裂縫、穿孔以及裂面上可見穿孔痕跡的炸裂。

分析ZnO 裸片在MWMPC 下的耐受性能優(yōu)于帶絕緣涂層C621 閥片的原因可能是由于ZnO裸片沒有涂層包裹，散熱性能更好。當施加大能量的MWMPC 時，C621 被涂層包裹，散熱性不好，導(dǎo)致閥片膨脹、絕緣涂層裂縫或者其他更嚴重的故障。然而，當沖擊電流的幅值過高時，即使沖擊電流攜帶的能量不大，ZnO 裸片也極易發(fā)生表面閃絡(luò)，其耐受性能不如有絕緣涂層的閥片。因此，在攜帶大能量的沖擊電流下，SPD 閥片涂層會影響散熱，使閥片的耐受性能不如ZnO裸片好；而當沖擊電流波形較陡或者幅值很大時，ZnO 裸片容易發(fā)生表面閃絡(luò)，其耐受高陡度大幅值沖擊電流的能力不如帶有涂層的SPD 閥片。

3 結(jié)論

本文采用一個10/350 μs 沖擊電流、一個2 ms方波電流和2 個1 μs 陡波沖擊電流組合成的MWMPC 來模擬包含多種成分、多個脈沖的實際雷電流作用在SPD 上的效果，進行了配電SPD閥片在MWMPC 下的耐受試驗研究，研究了MWMPC 的電流幅值、脈沖時序與脈沖時間間隔的影響，對比分析了沒有涂層的ZnO 裸片與包裹有絕緣涂層的SPD 閥片耐受性能的差異。具體研究結(jié)論如下：

（1）通過標準動作負載試驗的SPD 閥片在MWMPC耐受試驗中紛紛損壞，標準測試電流無法模擬具有更強劣化作用的多重雷電流作用在SPD 上的效果。本文提出的MWMPC 耐受試驗方案既參考了標準，又在標準方法的基礎(chǔ)考慮了多重雷擊SPD 的情況，為拓展Ⅰ級SPD 的試驗技術(shù)提供參考，特別是在測試位于高暴露點、面臨多重雷擊危害的SPD 產(chǎn)品。

（2）在MWMPC 耐受試驗中，多片并聯(lián)的SPD閥片比單片閥片耐受MWMPC 的性能更好。SPD閥片在MWMPC 下的損壞形式是涂層裂縫、穿孔以及一種裂面上可見穿孔痕跡的炸裂。其中，裂面上可見穿孔痕跡的炸裂是閥片在多波形多脈沖電流下特有的損壞形式，在以前的單脈沖試驗中未曾出現(xiàn)。

（3）當10/350 μs 沖擊電流和2 ms 方波電流幅值較大時，改變MWMPC 參數(shù)對MWMPC 耐受試驗結(jié)果的影響比較明顯。增加脈沖電流幅值、縮短多脈沖電流的時間間隔或當回擊間持續(xù)電流出現(xiàn)在后續(xù)回擊電流之間時，閥片更容易損壞。

（4）在攜帶大能量的沖擊電流下，SPD 閥片的涂層會影響散熱，使閥片的耐受性能不如ZnO裸片好。而當沖擊電流波形較陡或者幅值很大時，ZnO 裸片容易發(fā)生表面閃絡(luò)，其耐受高陡度沖擊電流的能力不如帶有涂層的SPD 閥片。