电网中电涌后备过电流保护的可靠性分析

张 洁

（宁波市电力设计院有限公司，浙江宁波315000）

0 引言

国家发改委、国家能源局2016年联合发布了电力发展“十三五”规划，部署了在“十三五”时期全面升级改造配电网，推进智能电网建设，基本建成城乡统筹、安全可靠、经济高效、技术先进、环境友好、与小康社会相适应的现代配电网的工作目标。配电网位于电力系统末端，发挥着供应和分配电能的重要作用，与人民生活质量息息相关。配电网结构复杂，地区水平差异较大，是整个电力系统中最容易发生故障的环节。近年来，我国国民经济增长迅猛，用电量逐渐加大，对电力配电网安全运行提出了更高的要求。在配电网运行中，电涌电压会严重地危及自动化设备安全，消除电涌干扰一直是配电网安全可靠运行的核心问题。在多数情况下，电涌电压会损坏电路及其部件，其损坏强度与元器件的耐压强度和电路中可以转换的能量密切相关。电网运行中电涌主要来自两方面原因：外部（雷电原因）和内部（电气设备启停和故障）[1]。电涌的特点是时间短，瞬时电压电流大，对电气设备造成极大危害，所以需要在设备前端并联电涌保护器对其进行保护。在电涌保护器后串联后备过流保护装置，目的是当电涌保护器出现金属性短路故障时，保护装置能够迅速切断工频电流，防止电涌保护器损坏[2]。后备过流保护与电涌保护器组成的防电涌支路保护与其并联的电气设备安全可靠运行。

1 电涌保护器工作原理及可靠性分析

电涌保护器，是一种为各种电子设备、仪器仪表提供安全防护的电子装置，主要用于限制过电压和泄放电涌电流。电涌保护器一般与被保护设备并联，当产生过电压时，可以起到分流和限压的效果，防止过大的电流与电压对设备产生损害，其伏安特性见图1[3]。

图1MOV型SPD的伏安特性Fig.1 Voltage current characteristic of MOV model SPD

在没有过电压时，电涌保护器呈高阻抗，可达到兆欧级，几乎相当于断路。当出现过电压时，阻抗迅速下降至几欧，电涌电流就会通过电涌保护器流入大地，而不会进入设备，同时，由于电涌保护器的阻抗很小，同时电涌保护器和被保护设备并联，也就防止设备承受较大的电涌电流，从而起到泄流和限压的效果。对工作在LPZ0B之内，没有被雷击的威胁条件下，预期电涌电流ISPD不会大于10 kA。电涌保护器安装点实际预期感应电涌电流ISPD大都小于5 kA，此范围是电涌保护的重点。

电涌保护器在破损后无法经过维修再次投入使用，因此可以用失效率函数描述其可靠性。

1）失效率：单个元器件工作到某时刻t尚未故障，在该时刻后单位时间内发生故障的概率，即在时刻t尚未失效的产品在t+t1的单位时间内发生失效的条件概率，可用公式描述为

它反映t时刻失效的速率，也称为瞬时失效率。

2）失效率观测值：在某时刻后单位时间内失效产品数与工作到该时刻尚未失效产品数之比，即

3）失效率曲线：反映产品完整寿命期失效率的情况，见图2[4]。

图2 失效率曲线Fig.2 The failure rate curve

产品的失效率曲线随时间变化分为早期失效期、偶然失效期和耗损失效期[5]。早期失效期，失效率曲线为递减型。产品投入使用的早期，失效率较高而下降很快。主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、跑合、启动不当等人为因素所造成的。当这些存在缺陷的产品失效后，运行情况也逐渐趋于稳定。针对早期失效期的失败原因，应该尽量通过设计、生产精细化来提升产品质量，缩短早期失效期的时间，并降低失效率；偶然失效期，失效率曲线为恒定型，失效率为近似常数。失效主要由非预期过载、误操作、意外天灾，以及一些尚不清楚的偶然因素所造成。由于失效原因多数偶然，故称为偶然失效期。偶然失效期是能有效工作的时期，这段时间成为有效寿命。为降低偶然失效期的失效率而增长有效寿命，应注意使用方法的正确性，并且及时维护；耗损失效期，失效率曲线为递增型。此阶段失效率上升较快，这是由于产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等原因引起的，故称为耗损失效期。针对耗损失效的原因，应该注意检查、监控、预测耗损开始时间，提前维修以减缓耗损失效期曲线的上升。对于电气元件，运用维修手段延长使用寿命效果并不明显，所以，若维修实施难度大，费用高，不如选择提早报废。

电子元器件、电子产品的失效率分为七个等级，从亚五级（Y）到十级（S），其中电阻元件失效率λ（t）=2×10-7/h，为七级（Q）。MOV型电涌保护器压敏电阻从手册中可以得到工作失效率为

式中：基本失效率λb=1×10-6/h；πE为环境系数；πQ为质量系数；πT为温度系数，通常取λp=4×10-8/h[6-7]。

电涌保护器是损耗型器件，所以主要失效期为损耗失效期。在耗损期阶段，失效率是递增型，这是由于各种应力使产品老化、磨损、腐蚀等损耗所引起的。从失效率曲线不难看出，在低应力情况下的失效率要远远低于高应力。所以，降低元器件所承受的应力，可显著的降低失效率。降低电涌保护器所受应力最可行的办法，就是降额使用，也就是降额设计，是可靠性设计准则，也是工程应用常识。

2 降额设计工作过程

1）确定降频准则：降额准则是降额的依据和标准，国产电子元器件的降额设计需遵循GJB/Z35-93《元器件降额准则》。

2）确定降额等级：降额登记表是设备中元器件降额的不同范围，GJB/Z35-93中根据降额程度、适用性、设计实现难易和增加费用将降额等级分为I、II、III 3个等级。在电涌保护器降额设计中可根据对元器件的质量要求和厂家技术实力自行选择降额等级。

3）确定降额参数：降额参数是影响元器件失效率的有关性能参数和环境应力参数。应遵循符合某项降额等级下各项降额参数的降额量值的要求，在不能同时满足时，尽量保证对关键降额参数的降额。对于SPD降额设计，首要的降额参数为预期电涌电流ISPD。

4）确定降额因子：降额银子表征了元器件降额的程度，是元器件实际承受的应力与额定应力之比。国产元器件降额因子参照GJB/Z35《元器件降额准则》。

5）降额计算分析：根据元器件手册的数据，获得元器件的额定值，计算元器件降额后的允许值。利用测试获得实际工作的电应力值和温度值，并将降额后的允许值与实际工作值相比较，检查每个元器件是否达到降额要求。

在使用降额设计后，电涌保护器的可靠性将会大幅提升。经验数据显示，在安装点预期电涌电流ISPD为5 kA时选用In为50 kA的电涌保护器，在常温下会使λ减小30倍，电涌保护器寿命增加30倍。选In值大的电涌保护器，当ISPD流过电涌保护器时其对应的箝位电压也小，有利于保护设备。

3 电涌保护器工频过电压特性分析判定

为了探究电涌保护器损坏的原因和过程，我们从运维单位提供的在实际运行中损坏报废的电涌保护器中，选取5个保存较为完好的电涌保护器进行测试和观察。

表1 电涌保护器测试结果Table 1 The test result of SPD

测试所用的电涌保护器共有4只阀片，其中相线上3只，中性线1只。通过外表鉴定，L2相线上的阀片外观基本完好，而其余相线上的阀片均有一定程度的损坏，其中中性点的阀片损坏最为严重。根据外观灼烧情况，基本可以段性线路中有过电压波窜入。随后通过对电涌保护器破损当天的天气情况和周边环境的调查，排除了雷击和人为破坏电涌保护器的可能性，所以可以断定电涌保护器的过电压损坏是由于系统内部过电压造成的。在配电网运行中产生的过电压分为操作过电压和暂时性过电压，操作过电压即电磁过渡过程中的过电压，一般持续时间在0.1 s以内；暂时性过电压包括谐振过电压和工频电压升高，持续时间相对较长。损坏电涌保护器的过电压一般属于工频电压升高。

正常的工频电压下，电涌保护器两端保持开路状态。但是当工频电压超过电涌保护器的持续工作电压时，电涌保护器在一定时间内会发生损坏，这就是电涌保护器的工频过电压的耐受时间特性[8]。电涌保护器的工频电压耐受时间特性，是其在吸收了规定的过电压能量之后耐受暂时过电压的能力，可耐受等于其额定电压的暂时过电压10 s，若暂时过电压作用时间长，其耐受的幅值就低，反之就高。故若暂时过电压高于其额定电压，即耐受电压时间就会明显缩短。进行测试的破损电涌保护器额定工作电压为380 V，持续工作电压为385 V，从而推断出电涌保护器必然长时间承受了高于持续工作电压的工频电压，造成了损坏。导致工频电压升高的原因为中性线断路。而电气设备相比于电涌保护器对高工频电压的响应时间较长，所以在电涌保护器损坏后造成停电后，电气设备得到了保护。

4 电涌保护器与过电流保护的协调配合与工作模式

针对中性线断路造成的电涌保护器损坏，可采用在电涌保护器前段串联过电流保护装置作为电涌保护器的后备保护。这样在事故发生前，能确保过流保护动作迅速切断电流，防止电涌保护器长时间耐受工频电压，可以有效保护电涌保护器。带后备保护的电涌保护器支路见图3。OCPD2是SPD的后备保护器件，SPD和OCPD2都应耐受预期电涌电流ISPD的冲击[9]。当电涌到达时，电涌保护器抑制电涌电压分流电涌电流，OCPD2只是一条导体为电涌的通路。当电涌保护器短路失效时，理想情况工频电流通过OCPD2时，OCPD2立即切断工频电流，保证供电正常。此时失去对雷电电涌的防护功能，但可保持被保护设备正常供电。

图3 SPD与后备OCPD的协调配合Fig.3 The coordination of SPD and backup OCPD

OCPD1为电网供电要求的过电流保护器；OCPD2为电涌保护器要求的过电流保护器；E/I为被保护设备的输入端，UP为电涌保护器的（限制电压）电压保护水平（In条件下）；UP/F为电涌保护器带电导体和连接排之间电涌电压。

OCPD2串联在电涌保护器支路中，由于ISPD流过OCPD2时必有压降Ures2，加上△UL3使UP/F值大于没有装OCPD2的UP/F值。

采用电涌保护器与过电流保护器OCPD串联使用主要两点优势：一是对电涌保护器的安全保护，当开关型电涌保护器发生工频续流，对地短路时，过电流保护器能够及时断开，防止了因开关型电涌保护器工频续流造成电极损坏，影响使用寿命。二是对供电连续性的保护，OCPD可与上游保护协调配合，OCPD的通过额定工频电流值应低于上级保护的额定值，电流级差要求1.6倍[10]。短路事故发生在并联支路上时，上级保护不会动作，而该支路过电流保护器可及时动作，使得停电范围最小。正常情况下，SPD+OCPD2与被保护设备并联。无电涌时，SPD+OCPD2组合呈高阻状态，电源可正常供电。电涌到达时，SPD+OCPD2组合呈低阻状态，限制了电涌电压分流泄放电涌电流，此时电涌保护器、OCPD2都应承受通过电涌保护器的预期电涌的冲击；电涌过后，电涌保护器恢复为高阻状态[11]。当电涌保护器短路失效时，OCPD立即分断预期的工频电源，使得SPD+OCPD支路呈开路状态。当电涌保护器开路失效时，OCPD无工频电流流过，SPD+OCPD支路呈开路状态。当电涌保护器失效后，由于OCPD断开工频电源，电源仍能正常供电，但当下一次电涌到来时，SPD+OCPD组合再不能对被保护设备提供电涌保护[12]。

5 过电流保护的选择及可靠性分析

后备过电流保护通常有熔断器（Fuse）或断路器（MCB）2种。这两种电器都是为工频供电系统设计，而不是防电涌冲击设计的，所以要求OCPD2无论选MCB或熔断器都应满足能耐受电涌电流ISPD冲击即可[13]。因为OCPD2首要任务是分断工频电流，而OCPD2分断工频电流的能力和耐受电涌电流冲击的能力是矛盾的，所以不必也不应该满足承受较大的In值的要求。即使OCPD2万一被电涌冲击而断开，仍能保证SPD+OCPD2支路开路，不会起火，供电不会中断。

熔断丝的保护特性亦可称熔化特性，它是熔断丝的主要特性。熔化特性表征通过熔体的电流与熔体熔化时间的关系，它和热继电器的保护特性一样，都是反时限的[14]。熔断器的保护特性中有一熔断电流与不熔断电流的分界线，与此相应的电流就是最小熔化电流IR。它是这样一个电流值，当通过熔体的电流等于它时，熔体在额定电流下绝对不应熔断，故IR＞Ie。

断路器的作用是切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，防止事故扩大，保证安全运行[15]。断路器的主触点是靠手动操作或电动合闸的。主触点闭合后，自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，欠电压脱扣器的线圈和电源并联。当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁吸合，使自由脱扣机构动作，主触点断开主电路。当电路过载时，热脱扣器的热元件发热使双金属片上弯曲，推动自由脱扣机构动作。当电路欠电压时，欠电压脱扣器的衔铁释放。也使自由脱扣机构动作。分励脱扣器则作为远距离控制用，在正常工作时，其线圈是断电的，在需要距离控制时，按下起动按钮，使线圈通电，衔铁带动自由脱扣机构动作，使主触点断开。

电涌保护器后备保护元件在电力系统中的应用，首先必须考虑承载电涌电流的大小，在预期电涌电流等级相同的前提下，将OCPD失效率作为后备过流保护元器件选型的主要依据。以失效率λ（t）来表征其可靠性。熔断器就是金属导体，其λ很低，为九级（J）或十级（S），其额定值当小于30 A时失效率λ（t）为5×10-9/h，当大于30 A时λ（t）为1×10-8/h，低于SPD的失效率。断路器（MCB）是一种机械开关电器，由操作机构、过载保护脱扣器、短路保护脱扣器、触头系统、灭弧系统、接线端子、导轨卡和塑料外壳组成，每一组件都具有独有λ（t），且大都为耗损性器件。从功能逻辑看，各组件的关系是串联，是一种链式最弱模型。只要有一个组件故障，MCB必失效。MCB的系统失效率λ（t）是各组件λ（t）之和。其过载保护的失效率λ（t）为0.17×10-6/h，短路保护的失效率λ（t）为1.7×10-6/h。MCB的失效率比熔断器要高，见图4。

对电涌来说，熔断器的残压比断路器的残压要低，这有利于被保护设备；对工频来说，熔断器比断路器反映速度快、灵敏，能迅速断开工频电源，熔断器有较好的过载防护效果，遮断容量大，有较优的过载防护级间（上、下游）配合选择性。并且体积小成本低，更换后无需维护。缺点：不能重复使用。从保护效果、电气安全和可靠性考虑，选用熔断器是较好的选择。

图4 断路器和熔断器的失效率曲线Fig.4 The failure rate curve of switch and fuse

6 结论

提升电涌保护器和后备过电流保护的可靠性，是有效预防电涌电流，保护电网中电气设备的有效途径。在通过对SPD的和OCPD的失效率进行分析后，得出如下结论：

1）提升SPD+OCPD组合保护的可靠性，必须分别提升SPD和OCPD元件的可靠性，即分别降低它们的失效率。

2）SPD的失效率是天生的、固有的，要降低SPD失效率的办法是降额设计，使得SPD工作在低应力（电流、电压）条件下。

3）OCPD的失效率取决于功能逻辑串联的系统组成结构。功能逻辑串联的系统单元越多失效率越高，所以要尽量减少功能元器件数量，以降低系统的失效率。熔断器主体是一金属丝，其失效率又远低于断路器的失效率。所以熔断器应为OCPD的首选器件。

4）使用熔断器作为SPD后备过电流保护时，要求熔断电流躲过额定波形下额定幅值的雷电流作用，同时小于上级主开关的整定电流，并保证一定的级差，以实现其选择性。

虽然使用熔断器和断路器作为后备过流保护可以对电涌保护器起到一定的保护作用，但在特殊条件下仍然存在一些缺陷，比如当电涌保护器劣化和异常过电压使电涌保护器发生对地短路时，熔断器和断路器无法速断，导致电涌保护器起火燃烧；当雷击发生时，由于熔断器和断路器是配电元器件，无法承载雷电流的瞬间能量，造成器件炸裂和脱扣，使设备失去防雷保护而损坏等[16]。由于电涌后备过电流保护在配电网运行中的重要性，市面上电器元件厂家也在纷纷研究和改进技术，研制开发与电涌保护器配套的后备过流保护器，这也是保证配电网可靠运行中的一个重要研究方向。

[1] 赵晓君，任志杰.电涌保护器原理分析[J].山西电子技术，2011（1）：16-17.

ZHAO Xiaojun，REN Zhijie.Surge protector principle analysis[J].ShanxiElectronicTechnology，2011（1）：16-17.

[2] 张高龙.电涌保护器（SPD）的基本原理及应用[J].自动化信息，2011（1）：100-101.

ZHANG Gaolong.Basic principle and Application of Cur⁃rent Surge Protectors[J].Automated Information，2011（1）：100-101.

[3] 庞驰，叶萃，费自豪，等.浅析限压型SPD起火与MOV工频击穿点的关系[J].电瓷避雷器，2013（6）：87-90.

PANG Chi，YE Cui，FEI Zihao，et al.Analysis on the rela⁃tionship of power frequency breakdown voltage in MOV and the firing in Voltage-Limiting type SPD[J].Insulators and Surge Arresters，2013（6）：87-90.

[4] 王进才，孙中泉，王连生.失效率曲线的分析与新修正模型的建立[J].电子产品可靠性与环境试验，2000（5）:7-11.

WANG Jincai，SUN Zhongquan，WANG Liansheng.Fail⁃ures rate curve analysis and modifying model[J].Electron⁃ic Product Reliability and Environmental Testing[J].Elec⁃tronic Product Reliability and Environmental Testing，2000（5）:7-11.

[5] 张红梅，李佑光.基于灰色模型的电涌保护器老化预测研究[J].电瓷避雷器，2016（6）：73-76.

ZHANG Hongmei，LI Youguang.Aging prediction of SPD based on gray model[J].Insulators and Surge Arresters，2016（6）：73-76.

[6] 薛安成，王睿琛，刘蔚，等.继电保护装置恒定失效率估算方法[J].电力系统自动化，2012，36（4）：6-10.

XUE Ancheng，WANG Ruichen，LIU Wei，et al.Estima⁃tion methods for constant failure rate of protection equip⁃ments[J].Automation of Electric Power Systems，2012，36（4）：6-10.

[7] 李沙金，冯敬东.深入理解失效率和瞬时失效率[J].电子产品可靠性与环境试验，2013，31（2）：41-48.

LI Shajin，FENG Jingdong.In-depth Understanding of Failure Rate and Instantaneous Failure Rate[J].Electronic Product Reliability and Environmental Testing，2013，31（2）：41-48.

[8] 王林，赵怀林，陈科企，等.基于RS-485接口的电涌保护器设计与应用研究[J].电瓷避雷器，2016（1）：95-100.WANG Lin，ZHAO Huailin，CHEN Keqi，et al.Applica⁃tion research and design of surge protective device for RS-485 interface[J].Insulators and Surge Arresters，2016（1）:95-100.

[9] 马永红，石瑞玲，戚磊.电涌保护器（SPD）与过电流保护器的配合使用[J].中国科技博览，2014（35）：81-81.

MA Yonghong，DAN Ruiling，QI Lei.Application of surge Protector SPD and over current protection[J].China Sci⁃ence and Technology Expo，2014（35）：81-81.

[10]朱涛.变频器设计中电流检测方式与过电流保护可靠性的研究[J].电气传动自动化，2005，27（6）：39-40.

ZHU Tao.Research of current measuring and reliability of over current protection in design of freguency converter[J].Electrical Drive Automation，2005，27（6）：39-40.

[11]彭向阳，王锐，周华敏，等.基于不平衡绝缘的同塔多回输电线路差异化防雷技术及应用[J].广东电力，2016，29（6）：109-116.

PENG Xiangyang，WANG Rui，ZHOU Huamin，et al.Dif⁃ferentiated Lightning Protection Technology and Its Appli⁃cation Based on Unbalanced Insulation for Multi-circuit Power Transmission Lines on the Same Tower[J].Guang⁃dong Electric Power，2016，29（6）：109-116.

[12]曹华.SPD后备保护的可靠性及实验验证[J].建筑电气，2016（3）：48-52.

CAO Hua.Reliability and experimental verification of SPD backup protection[J].Building Electrical，2016（3）：48-52.

[13]李葆申.低压配电系统设计中断路器和熔断器选用分析[J].现代建筑电气，2012（12）：17-19.

LI Baoshen.Analysis of the reasonable selection of circuit breaker and fuse in low voltage power distribution system design[J].Moder Architecture Electric，2012（12）：17-19.

[14]黎莫清，周小武.电源SPD配合器件的应用分析[J].电瓷避雷器，2016（4）：133-137.

LI Moqing，ZHOU Xiaowu.Application analysis of SPD mating device for power supply[J].Insulators and Surge Ar⁃resters，2016（4）:133-137.

[15]任元会.隔离开关，熔断器性能及在低压配电中的应用[J].建筑电气，2016，35（10）：3-7.

REN Yuanhui.Isolating Switch，fuse performance and ap⁃plication in low voltage distribution[J].Building Electrical，2016，35（10）：3-7.

[16]殷春生，罗国华，朱延爱，等.低压电源中电涌保护器后备过电流保护器的选择分析[J].现代建筑电气，2016（6）：51-54.

YAN Chunsheng，LUO Guohua，ZHU Yanai，et al.Selec⁃tion and analysis of surge protector for surge protector in low voltage power supply[J].Modern Building Electrical，2016（6）：51-54.