电涌保护器热稳定性试验的研究与分析

刘冰桦, 周歧斌

(上海市防雷中心, 上海 201615)

电涌保护器热稳定性试验的研究与分析

刘冰桦, 周歧斌

(上海市防雷中心, 上海 201615)

针对标准GB 18802.1—2011中第7.7.2.2条关于电涌保护器的热稳定性试验进行了研究与分析。介绍了电涌保护器热稳定试验的必要性和重要性,进行了试验,并对试验数据和温度曲线进行分析。最后对现阶段电涌保护器国内产品热稳定性试验的失败原因进行了归纳和分析,为相关研发人员提供指导。

电涌保护器; 热稳定性试验; 脱扣装置; 温度曲线

0 引 言

电涌保护器(Surge Protective Device,SPD)是雷电防护体系中主要保护器件之一,其运行可靠性和安全性直接影响雷电防护性能。对于限压型SPD,其内部核心元件压敏电阻劣化失效后变为低阻或短路时,往往会有较大的交流电流通过SPD,产生很高的热量,甚至引发火灾事故。因此,一般要求SPD脱离器具有热保护功能,其作用是将SPD与电源系统脱离,防止SPD因损坏、短路等故障而影响供电线路的正常工作,并发出劣化告警指示,以便提醒维护人员及时更换。

本文基于GB 18802.1—2011《低压配电系统的电涌保护器 性能要求和试验方法》,针对SPD热容性及脱离器的可靠性进行了热稳定试验。

1 SPD脱离器的工作原理

SPD在正常工作时可能发生内部元器件劣化,从而导致剩余电流增大,引起内部压敏电阻发热。在达到一定的温度时,SPD脱离器能正常脱扣,并清晰指示,以便相关人员及时更换。SPD脱离器的工作原理是:当压敏电阻剩余电流增大导致压敏电阻发热,当达到一定的温度时热量融化低温焊锡或熔断器导致脱离器动作。脱离器一般都是串联在SPD保护电路中的,一旦发生脱扣,即将SPD与电源回路断开,以保证设备的安全。连接在脱离器上的状态显示器显示 SPD是在工作还是不再起作用。SPD热稳定试验就是通过模拟SPD劣化后剩余电流增大这一过程,测试脱离器在温度达到危险程度前能否安全有效地脱扣。

脱离器按受热方式主要分为直热脱扣和旁热脱扣两类。热量直接融化低温焊锡导致脱离器动作的方式属于直热脱扣,大部分SPD采用这种方式。通过空气或其他介质传导至熔断器动作的方式属于旁热脱扣,该方式热量传导相对较慢,因此脱扣动作需要的热积累时间比较长。

2 样品准备

SPD热稳定试验需要同型号的三个样品以及一个备用样品。为了验证样品的基本一致性,先进行压敏电阻的压敏电压测试。压敏电阻电压及剩余电流如表1所示。由表1确定了样品一致性,进而进行接下来的试验。

表1 压敏电阻电压及剩余电流

3 试验方法

使用的仪器设备包括热成像仪、热稳定测试仪、数据采集器。

3.1 热稳定试验

仅包含电压开关型元件的SPD不进行此项试验。

试验应在每种保护模式上进行。如果某些保护模式具有相同的电路,可以在代表最薄弱配置的保护模式上进行一个单独的试验。试验程序有两种不同的设计:① 仅包括电压限制元件的SPD,在该情况下,采用没有开关元件与其他元件串联的 SPD 试验程序;② 包括电压限制的元件和电压开关元件的SPD,在该情况下,采用有开关元件与其他元件串联的 SPD试验程序。

任何与电压限制元件串联连接的电压开关元件应采用一根铜线短路,铜线直径应使其在试验时不熔化。具有不同的非线性元件并联连接的SPD,必须对SPD的每个电流路径进行试验,试验时拆开/断开其余的电流路径。如果相同型式和参数的元件并联连接,则应作为一个电流路径进行试验。制造厂商应提供按上述要求的试品。

没有开关元件与其他元件串联的 SPD 试验程序如下:

(1) 试验试品应连接到工频电源。

(2) 工频电源电压Uc应足够高,使SPD有电流流过。对于该试验,电流调整到一个恒定值。试验电流的误差为±10%。试验从2 mA(有效值)开始。

(3) 如果起始点可从2 mA变化到相应于元件最大功耗的电流,试验电流以2 mA或先前调节的试验电流5%的步幅(两者取较大值)增加。

(4) 每一步保持到达到热平衡状态,即10 min内温度变化<2 K。

(5) 连续监测SPD最热点的表面温度(仅对易触及的SPD)和流过SPD的电流。最热点可以通过初始试验或进行多点监测确定。

(6) 如果所有的非线性元件断开,则试验终止。试验电压不应再增加,以避免任何脱离器故障。

试验时,如果SPD端子间的电压跌到低于Uc,则停止调节电流,电压调回Uc,并保持15 min。因此,无需再进行连续的电流监测。电源应具有短路电流能力,在任何脱离器动作前其不会限制电流。最大可达到的电流值不应超过制造生产商标称的短路耐受能力。

有开关元件与其他元件串联的 SPD试验程序如下:

(1) SPD采用电压Uc的工频电源供电,电源应具有短路电流能力,在任何脱离器动作前不会限制电流。最大可达到的电流值不应超过制造生产商标称的短路耐受能力。

(2) 如果没有明显的电流流过,应进行没有开关元件与其他元件串联的SPD试验程序。注意,没有明显的电流是指SPD没有进入导通转换的突变状态,即SPD保持热稳定。

如果脱离器动作,SPD应有明显的、有效和永久断开的迹象。为了验证该要求,应采用工频电压为Uc的电源施加1 min,流过的电流不应超过0.5 mA(有效值)。合格判别标准如下:

① 户内型SPD。试验时表面温升应小于120 K。在脱离器动作5 min后,表面温升不应超过周围环境温度80 K。在试验过程中,应没有固体材料喷溅。

② 户外型SPD。应没有燃烧的迹象,且没有固体材料喷溅。

③ 易触及的SPD。试后,对防护等级≥IP20的SPD,使用标准是指施加5 N的力不应触及带电部件,除了SPD按正常使用安装后在试验前已可触及的带电部分外。

3.2 预试验

试验前应进行预试验,在样品上施加几毫安的电流使样品发热,然后用热成像仪测量样品表面最高温度,并对温度进行标记,以确保温度测试区域的准确性。然后,在温度最高的区域粘若干个热电偶(一般不少于6个),以精确测量样品表面的温度。

热成像仪测得的样品表面温度分布如图1所示。

图1 热成像仪测得的样品表面温度分布

4 试验数据及其特性分析

样品1#～3#试验结果如表2所示。

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表2 样品1#～3#试验结果

样品1#的热稳定试验从试验电流2 mA(有效值)开始,以2 mA或先前调节的试验电流5%的步幅(两者取较大值)增加,测得其表面最高温升>120 K,故样品1#试验失败。

样品2#与样品1#的试验过程相同。测得的最高温升为93.883 K,脱扣后5 min最高温升为53.472 K。脱离器动作后施加电压Uc下的测量电流为0,脱离指示器显示正确,试验合格。

样品3#,已知同型号脱离器动作电流挡位,故将电流调制最大功耗开始进试验,直至脱离器动作,最高温升为79.276 K,脱扣后5 min最高温升为40.575 K,脱离器动作后施加电压Uc下的测量电流为0,脱离指示器显示正确,试验合格。

样品1#～3#的试验温度曲线如图2～图4所示。

图2 样品1#的试验温度曲线

图3 样品2#的试验温度曲线

图4 样品3#的试验温度曲线

由表2、图2～图4可以得出以下结论:

(1) 电流挡位按照2 mA逐步递增的样品,其所测得的温度结果比电流从最大功耗试验的样品要高,所需的试验时间也更长。

(2) 试验温度曲线图中斜率上升越快的样品,脱扣的温度越低。

为了进一步验证试验结论,用样品4#按照GB 18802.1—2011中热稳定试验方法,电流挡位按2、5、10、20、40、80、160、320、640、1 000 mA逐步递增,合格判定方法与上述相同。

样品4#施加的电流挡位为2、5、10、20 mA,电流在20 mA时脱离器动作,最高温升为83.284 K,脱扣后5 min最高温升为43.184 K,脱离器动作后施加电压Uc下测量电流为0,脱离指示器显示正确,试验合格。

样品4#的试验温度曲线如图5所示。由图5可知,样品4#电流从10 mA升至20 mA,经过1 min,样品脱扣,其最高温升比样品3#的最高温度高4.008 K。因此,进一步证明了上述结论的正确性。

图5 样品4#的试验温度曲线

5 热试验失败的原因

目前我国生产的SPD在GB 18802.1—2011热稳定试验项目上的不合格率较高,主要原因有以下几点:

(1) 选择的压敏电阻质量较差,经过长时间的试验流程,发生劣化或导致其低阻抗,从而发生击穿或闪络,引起温度过高,导致SPD样品冒烟、碳化甚至燃烧。

(2) 脱离器工艺较粗糙,SPD样品脱扣后无法作出明显的脱离器指示,或脱离器指示已显示动作,但施加电压后仍有电流,脱离器的动作不彻底。这往往是因为焊锡融化温度点选择过高,导致SPD样品表面温升超过标准规定的合格值。

焊锡工艺差,样品在接近脱开温度点时焊锡融化不彻底,产生了拉丝的情况,从而样品表面温升超过标准规定的合格值。

(3) SPD生产厂商在其实验室中进行热稳定试验时不规范,未按照标准流程进行。

6 结 语

有些研发人员为了节省时间与成本,在进行热稳定测试时给样品施加一个大电流,样品瞬间脱扣就判定合格,只关注脱离器是否能正常脱开,并未关注样品的表面温度。本文进行了四次样品试验,最后测得的温度结果差距甚大,更有样品失败的情况。因此,建议SPD制造厂商严格按照标准方法进行试验,相同的样品、不同的试验方法有可能有完全不同的结果。

SPD热稳定试验检验的是SPD热容性与脱离器的可靠性,良好的脱离器工艺能有效地防止因SPD劣化失效而引起的火灾、爆炸等事故,它是安全性性能试验中的一项重要的测试项目,应引起SPD制造厂商与相关人员的重视。

[1] GB 18802.1—2011 低压配电系统的电涌保护器 性能要求和试验方法[S].

[2] 曹霞.低压配电系统电涌保护器的类型[J].现代建筑电气,2014,5(1):29-32.

[3] 谢欢,周歧斌.交流电涌保护器失效模拟试验探讨[J].现代建筑电气,2014,5(9):43-46.

Study and Analysis of Thermal Stability Test for Surge Protective Device

LIU Binghua, ZHOU Qibin

(Shanghai Lightning Protection Center, Shanghai 201615, China)

This paper provided a study and analysis on the clause 7.7.2.2 “thermal stability test” in the standard GB 18802.1—2011.Firstly,the necessity and importance of the thermal stability test was introduced.Secondly,the test was carried on,which was analyzed with test data and temperature curves.Finally,the failure cause of this test for present SPDs in China was summarized and analyzed.It could provide

for relevant research and development personnel.

surge protective device(SPD); thermal stability test; tripping device; temperature curve

刘冰桦(1989—),男,从事防雷产品测试方面的工作。

TU 856

B

1674-8417(2015)02-0001-04

2014-10-13

周歧斌(1977—),男,高级工程师,从事防雷产品测试及雷电防护方面的研究。