对SPD的宽波脉冲电流耐受能力的分析及试验建议　

作者 谭胜淋 康国耀 深圳远征技术有限公司(广东 深圳 518000)

谭胜淋(1988-)，男，工程师，研究方向：电子信息，雷电防护技术和标准。

摘要：本文主要研究分析了SPD的宽波脉冲电流耐受能力，系统地分析了低压配电系统中的雷电过电压过电流、配电系统相互干扰和用电设备的兼容性、误操作及故障等影响因子，并通过列举多项试验结果和理论分析说明，论证SPD的窄波脉冲耐受能力与宽波脉冲耐受能力之间没有等效性，对规定SPD的宽波脉冲电流耐受能力的试验要求和方法的必要性。

引言

　　SPD(Surge Protective Device)，即防雷器，又称避雷器、浪涌保护器、电涌保护器、过电压保护器等，主要用于保护用电设备免遭雷电电磁脉冲或操作过电压破坏。SPD在抑制浪涌过电压、分流浪涌电流，保护其他电子/电气装置的同时，自身必须能耐受设计范围内的脉冲应力对它的破坏作用。以性能要求来区分，则SPD上的脉冲应力可分为两类，即高峰值的窄波脉冲(以下简称为HSI)和低峰值的宽波脉冲(以下简称为LLI)。

　　低压配电系统中因雷电过电压过电流、配电系统相互干扰和用电设备的不兼容性、误操作及故障等影响，引起各种不同峰值和时间宽度的脉冲过电压。低压配电系统中的SPD，在实际运行中失效甚至产生安全隐患的主要原因为以下三种：

　　(1)SPD遭受超过其最大额定值的多次强脉冲的破坏作用;

　　(2)配电系统中的频度很高的操作过电压(大多是低峰值的宽波脉冲)消耗MOV型SPD的大部分“安-秒”资源，在“安-秒”资源耗尽后，一旦遭到雷电脉冲侵入直接损坏;

　　(3)SPD自身的缺陷。

　　以上三种原因中，原因(2)是主要的，它出现的概率最高。因为低压配电系统中超过SPD最大额定值的强脉冲的出现概率极低。因此，原因(1)损坏的可能性很小;对于出厂前经过可靠性筛选的合格产品，类型(3)也不会发生。因此，保证SPD的宽波脉冲电流耐受能力意义重大。但现行的低压配电系统用SPD技术标准IEC61643-1，暂未提出这一性能指标和试验方法。

　　目前，雷电学术界中有一种观点：SPD的窄波脉冲耐受能力与宽波脉冲耐受能力之间有一定等效关系，因此IEC61643-1的8/20脉冲电流动作负载试验，表征SPD的宽波脉冲耐受能力。本文列举的多项试验结果和理论分析都说明，这一观点不符合目前使用量最大的MOV型SPD的实际情况，这种类型SPD的窄波脉冲耐受能力与宽波脉冲耐受能力之间没有等效。因此，规定SPD的宽波脉冲电流耐受能力的试验要求和方法的必要性。

　　现行的低压配电系统用SPD技术标准中，国际电工委标准IEC61643-1 规定SPD对于HSI的耐受能力的试验要求，具体如下：

　　HSI的耐受能力的要求为满足3组，每组5次脉冲电流的检验能力要求。脉冲的波形和峰值分别为：Ⅰ类试验SPD为8/20µs电流脉冲，峰值Iimp;Ⅱ类试验SPD为8/20µs电流脉冲，峰值IN;Ⅲ类试验SPD为组合波。脉冲电流应叠加在SPD的最大连续工作电压UC 上。在此标准规定的试验项目中，对于保证SPD的可靠性极为重要，但是测试项并不充分。主要因为8/20µs电流脉冲和组合波都是窄波脉冲，与SPD耐受宽波脉冲的能力不尽相同。

　　低压配电系统用SPD中的非性元件，绝大多数是压敏电阻器。目前共性认识为：只要压敏电阻器承受的脉冲电流不超过其允许的最大放电电流Imax，压敏电阻器就不会损坏，但以实际使用经验并不支持该观点。压敏电阻型 SPD在并未受到大于最大额定值的强冲击电流作用的情况下也存在损坏的可能，而且有大量的数据证实这观点。本文以理论结合实验和使用结果分析说明，致使压敏电阻型SPD在不是很大的脉冲电流情况下失效的主要原因是压敏电阻型SPD的LLI自身耐受能力不足。因此，在SPD技术规范中增加对LLI的试验项目是十分必要的，本文提出对LLI的试验项目和试验方法。

1 低压配电系统中的脉冲过电压和压敏电阻器的“安-秒”资源

　　低压配电系统中的脉冲过电压主要为：雷电效应和配电系统及用电设备的操作。对于这两类脉冲过电压的形成机理、特性、参数以及它们所产生的效应，现行技术规范及资料都较为充分。这里指出以下几点：

　　低压配电系统中脉冲的持续时间(亦名为“脉冲宽度”)，大体从微秒级到秒级，即跨越约6个数量级。从压敏电阻器的角度来看，通常把宽度小于50µs的脉冲称为“窄波脉冲”，把宽度大于100µs的脉冲称为“宽波脉冲”。在讨论脉冲电流对SPD的作用时，主要关心电流峰值范围从毫安培级到千安培级。不同宽度和不同峰值的脉冲对压敏电阻器的作用效应截然不同，一般情况主要把作用于压敏电阻器的脉冲区分为“高峰值窄波脉冲”和“低峰值宽波脉冲”。

　　但是，在低压配电系统中常被忽视的一个因素：在一个周期内(一周、一月或一年)系统中出现的LLI“安-秒”值(电荷量)远大于HSI的安-秒值。在雷电放电中，同时存在HSI电流和LLI电流，且LLI电流的持续时间主要在 2ms～1s 间。虽然LLI电流的峰值很小，但是持续时间相对于窄波脉冲而言较长。此外，低压配电系统中操作过电压的出现频度非常高。举实例来说明：在一个有16家住户的楼房的配电入口处测得的峰值约500V，过电压约1100次/年;峰值约2000V，过电压约20次/年。假定两者的脉冲宽度相同，则短路电流安秒值中前者是后者的13.7倍。

　　作用在压敏电阻器上的脉冲的安/秒值，对研究压敏电阻器的脉冲寿命极为重要。以工频电流峰值0.8～600A和脉冲电流4kA～35kA，对三个厂生产的高度23～24mm，直径 62～64mm的ZnO压敏电阻片进行试验，每种电流试验直到样品损坏为止，得到平均破坏时间(t)与电流峰值(I)有下面的关系：

I·t=C (1)

式中 C是个常数。这个式子表明，压敏电阻器失效前的平均安秒值是个常数，是压敏电阻器工作寿命的极为重要因子。

2 压敏电阻器的窄波脉冲耐受能力与宽波脉冲耐受能力之间无等效性

　　元器件存在着多种类型的内部缺陷。在不同峰值、不同持续时间的脉冲应力作用下，元器件所表现的失效结果不尽相同。有的失效结果是在HSI下才发生，在LLI下没出现失效，而部分失效则相反。以上两种情况证明：窄波脉冲耐受能力与宽波脉冲耐受能力之间不存在“等效性”。下面列举多个与压敏电阻器失效现象进行说明。

　　例1：8/20µs脉冲电流的“软破坏特性”和2ms脉冲电流的“硬破坏特性”。

　　目前，雷电学术界都已形成了共性认知：若分别以一定峰值的8/20µs脉冲和2ms方波脉冲对压敏电阻器多次冲击试验，每次冲击冷却后测量样品压敏电压(UN)，作出UN的相对变化 (δUN) 随冲击次数(n)的变化规曲线，则8/20µs电流时表现为“软特性”，2ms方波电流时表现为“硬特性”(见图1)。所谓软特性，是指δUN随n的增大逐步下降，且当压敏电压的下降量(δUN )超过(-10%)后，随着冲击次数(n)的进一步增大，样品很容易就损坏。硬特性是指压敏电阻器在失效前难以辨别出异常。当冲击到一定次数后其将突然失效。这两种不同的特性反映了8/20µs脉冲和2ms方波脉冲对MOV的几率不一致。

　　例2：电极片和陶瓷体膨胀系数不匹配。

　　以铜片作为引出片的压敏电阻器，在进行脉冲电流寿命试验中，破坏的形式主要是陶瓷体沿着铜电极的边沿开裂，这是主要是因为电极片和陶瓷体膨胀系数不匹配造成的。铜的线胀系数为16.7×10-6/K，而陶瓷体的线胀系数为3×10-6/K，两者相差超5倍。在脉冲电流寿命试验中，铜电极和陶瓷体需要经“热-冷”的循环，陶瓷体遭受铜电极对它的作用力，最后因机械疲劳而开裂。

　　例3：宽脉冲作用时的电流集中破坏。

　　电流集中是指在宽波脉冲或连续电流作用期间，压敏电阻器中的电流向陶瓷体的薄弱部位集中的过程。因为陶瓷体无法做到理想的均匀体，它各部分的电流密度是不同的。在单位时间内由电流所产生的热量大于散失的热量，电流密度最大部位的温度就会进一步升高，而压敏电阻器陶瓷体的电流温度系数为正值，较高的温度使得该部位的电流进一步上升，这种正反馈过程最后导致这个部位击穿。电流集中过程是个热学过程，需要一定的时间，只有在宽波脉冲电流时才会发生，电流持续时间越长，电流集中越明显，8/20µs的窄波脉冲电流作用期间，不可能出现电流集中效应。以图2的热像图说明脉冲宽度影响到电流集中的程度。

　　图2(a)，图2(b)分别表示同一个压敏电阻器样品在8/20-40.8kA(U_N=513.6V 8/20µs-40.8kA/1700V，83～88℃)脉冲和10/350-2.76kA(U_N=513.6V，10/350-2.76kA/920V，82～87℃ )脉冲的表面热图像。图中的黑色区域是经图像处理软件处理后的“高温区”(在这里，将温度在Tm～(Tm-5)的区域称为高温区，Tm 指最热点的温度)。这两个图说明：1)该样品在8/20-40.8kA与10/350-2.76kA两个脉冲电流下所吸收的能量大体相等，因而Tm大体相等，前者为88℃，后者为87℃(注意：两个电流的峰值之比为14.8);2)窄波电流高温区的面积明显比宽波脉冲的大。大量的测试结果证明，这是个普遍现象。证明了在宽波脉冲作用期间，电流逐步向电阻片的薄弱部位(低阻抗部位)集中，而且，电流作用时间越长，电流集中越严重，最热点温度越高，高温区面积越小。图2(c)表示了另外一只压敏电阻器裸片施加工频电压3s钟后的热像图(图中A、B两点是测试夹具的接触部位，U_N=642.8V，50Hz，_Up=740V，I_p=2.04A， 3s，110～126℃ )。它的高温区面积更小。

　　通过例子可说明压敏电阻器在脉冲电流下失效的形式，在实际生产和试验中仍有有其他形式。由此可见，压敏电阻器在脉冲电流下的失效的影响影子很多，宽脉冲失效与窄脉冲失效之间是不存在确定的数学模型关系。在2006年，美国电气和电子工程师协会召开了一次关于8/20µs电流波与10/350µs电流波的专题讨论会中，部分专家试图找到SPD耐受这两种脉冲之间的等效关系，但最后的结论是不存在等效关系。

3 压敏电阻器的特性

　　对于同一型号但不同规格的两种压敏电阻器来说，窄波脉冲耐受能力高的压敏电阻器，其宽波脉冲耐受能力也高，但不同型号的压敏电阻器就存在一定的差异。

　　近几年来开发了一种新型的主要用于Ⅰ类试验SPD的压敏电阻器，它的10/350µs脉冲电流耐受能力，大体是常规产品的1.5～2倍，但窄波脉冲耐受能力和电压限制性能比常规产品差。在一定程度上说明了µs的窄波脉冲耐受能力与宽波脉冲耐受能力是两项独立的性能。

4 试验的建议

　　IEC61643-1中已规定SPD对于窄波脉冲(8/20µs或组合波)的耐受能力的试验，但是没有考虑对宽波脉冲的耐受能力的试验。因此为保证试验的全面性和可操作性，建议提出增加该项试验要求。

　　现行的标准中，对宽波脉冲耐受能力的试验波形，目前主要有2ms方波电流、10/1000或10/350等指数波电流。考虑到2ms方波电流已在电力防雷中应用了几十年，大部分的生产、试验和研究机构都沿用2ms方波电流发生器。由此，可根据实际试验要求，以2ms方波电流作为SPD宽波脉冲耐受能力的试验波形，相应的试验方法如下：

　　(1)Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类试验SPD的宽波脉冲耐受能力的试验要求：应以试验电流为2ms方波试验电流，按IEC61643-1 第8.3.4.3 “Ⅰ类和Ⅱ类动作负载试验”的规定执行。

　　(2)2ms方波试验电流的优先值为500A、400A、300A、200A、100A。

5 结论

　　低压配电系统中SPD的失效，主要不是因SPD遭受超过其最大放电电流的一次或几次强脉冲的破坏，最主要的是因为系统中出现频度很高的操作过电压(尤其是低峰值的宽波脉冲)耗损SPD的“安-秒”资源。在耗尽该资源后，一旦雷电脉冲侵入时，其损坏率极高。因此，建议保证SPD的宽波脉冲能力颇为重要。

　　SPD的SHI与LLI耐受能力之间不存在“等效性”关系，所以现行标准中仅对低压配电系统用SPD规定8/20电流耐受能力试验是不充分的，有待进一步修订。

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　　本文来源于《电子产品世界》2017年第11期第65页，欢迎您写论文时引用，并注明出处