压敏型SPD后备保护器的分析与研究

赵 学 军

(上海电科臻和智能科技有限公司, 上海 201401)

0 引 言

随着国民经济的不断发展,电涌保护器(SPD)已大量使用在各行各业,在防雷保护中具有重要的意义。然而SPD的状态好坏直接影响到防雷效果,如果配置不当,将给所保护的设备带来安全隐患。SPD故障的主因有大的雷击电流和小的工频电流,而现有的SPD后备保护装置无法很好地兼顾这两种保护功能,对SPD的过流故障保护存在严重的盲区。因此亟待需要一种能够兼顾断路器功能和工频续流保护功能的方案。

1 压敏型SPD失效分析

1.1 压敏型SPD的工作特性

SPD并联在电路上使用,其一端连接至电源线上,另一端连接至大地,以泄放电涌电流。其主要有两种状态。

(1) 正常高阻状态。SPD在常规或在额定电压下呈现高阻状态,其阻值为兆欧级,在线路中相当于开路状态。

(2) 低阻泄放状态。当电涌或雷击瞬态过电压发生时SPD呈低阻状态,起泄放电涌电流和限制瞬态过电压的作用。当电涌过电压或雷击电涌过后,SPD立即会恢复至正常高阻状态。

1.2 压敏型SPD的内部结构特点

SPD主要以氧化锌为原料的应用最为广泛。国内外的防雷企业、专家、学者等经过多年对SPD的劣化研究发现:在SPD经多次电涌冲击后,内部元件会逐渐老化。并通过试验模拟SPD劣化的过程,试验过程中氧化锌压敏电阻(MOV)内部晶粒有裂变融合,压敏的电气性能持续下降。

1.3 潜在失效的原因分析

SPD是一种保护性元件,产品在电网中将是长期带电状态,因此承受各种过电压、过电流的侵袭而导致产品失效,其中突出的有小工频电流和大雷击电流的侵袭。

1.3.1 工频小电流导致的失效

SPD是电压敏感元件,当电压超过一定阈值时会产生一定电流。而电网是复杂的综合网络,能产生多种过电压现象。例如断路器、开关等频繁断开或闭合时的操作过电压;电磁阀、保护开关、变频器、软启动器等频繁启动产生过电压;电路中存在电感、电容等器件的耦合作用而产生的过电压等;这些过电压综合作用将可能导致SPD失效。

1.3.2 雷击电流导致的失效

当有雷电发生时,若在SPD承受范围内的雷电流,电涌能被SPD安全泄放,而不会损坏;但是若雷电频繁或雷击能量特别大时,SPD无法承受在电涌泄放过程中产生的大量热,容易出现产品脱扣或损坏,严重时可能导致爆炸。

1.4 模拟失效后果

MOV电气参数劣化首先表现是电压值降低;当电压值低于电源电压时,剩余电流急剧增大,温升加剧。如异常电流大于5 A数秒以上时,会引发雪崩式短路,瞬间产生的热量聚集过程快于散热传递速度,达到压敏电阻热崩溃点,造成熔溃故障,甚至引发燃爆火灾事故。实验室重现燃爆试验照片如图1所示。

图1 实验室重现燃爆试验照片

2 国家防雷设计规范标准要求

IEC 61643-12:2002、IEC 60034-5-534:2020以及GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》等防雷设计标准中推荐应用过电流保护器(如熔断器和断路器)与SPD串联使用,作为SPD发生劣化短路失效时的后备过电流保护装置[1-2]。

几种SPD的后备保护方法如图2所示。

图2 几种SPD的后备保护方法

2.1 熔断器式的后备保护装置

熔断器的配置是按防雷器在8/20 μs波形下最大单次冲击计算配置额定值,以实现对SPD的短路失效进行保护。在标准IEC 61643-12:2002,表P.1给出了熔断器耐受冲击能力的一些规格、尺寸的试验测试数据。基于简化公式的峰值电流典型值和实际测试值对比如表1所示。

表1 基于简化公式的峰值电流典型值和实际测试值对比

熔断器过流保护特点是结构简单,附加残压相对于MCB较低,分断能力较高。但常规熔断器后备保护有SPD过流保护盲区,尤其是在电路存在工频小电流时无法及时断开电路,而且体积较大,不易实现故障遥信功能。

2.2 断路器式的后备保护装置

断路器过流保护运用电磁脱扣和灭弧装置,其电涌耐受能力相对较高。小型断路器耐受冲击电流如表2所示。

表2 小型断路器耐受冲击电流

MCB、MCCB均包含电磁脱扣器件,在雷电流通过时残压较高,降低SPD的电压保护水平。同样MCB的配置方式按SPD最大通流量来设计,以防止雷击时误脱扣。以上应用仍无法兼顾大的雷电电流和MOV劣化时的工频故障小电流[3-4]。

另外,MCB分断能力也存在一定局限性,即使MCB分断能力能达到15 kA,但对于T1、T2级SPD安装位置的预期短路电流,仍有无法安全分断的风险。

因此,常规的MCB、熔断器的后备保护装置存在一定保护盲区。

3 新型后备保护器的研究与分析

标准中规定雷击电流是波前时间为8 μs、半峰值时间为20 μs的冲击电流,得到雷击电流近似频率为50 kHz。而工频电流频率为50 Hz,对应时间周期为20 μs。两者之间频率相差1 000倍。

利用雷电流与工频续流的幅频特性不同,设计了两个通路,使有差异的两种电流通过不同通路。根据其在电路传输产生的感抗为

XL=2πfL

其感抗也相差1 000倍。而且感抗不仅与频率成正比,同时也与电感的感值成正比[5-6]。

3.1 小电流通道设计方案

根据实验室测定,当压敏电阻的工频电流大于5 A数秒以上时,在几秒内可能引起压敏电阻燃爆。因此可以在小电流通道上设计热双金属片装置。热双金属片是由两个(或多个)具有不同热膨胀系数的金属或合金组元层复合在一起的材料。当电流通过此装置时,热双金属片弯曲,当达到一定行程时使之切断电源,以达到脱离电网的目的。热双金属片动作示意图如图3所示。

图3 热双金属片动作示意图

具体设计方法是在电源的输入端子依次连接动触头、执行机构、地短路整定值过电流线圈、热双金属片、电感矢量模块、输出端子。设计电流为3 A,时间≤7 s。测试的工频电流特性如图4所示。

图4 测试的工频电流特性

3.2 雷击电流设计方案

设计的目标为当电涌雷击最大的电流Imax通过SPD与之配合的专用后备保护装置时,专用后备保护装置不应误脱扣,使电气设备防雷始终处于有效状态。

具体设计方法是在电源的输入端子依次连接放电型开关管、输出端子。设计指标可根据不同的雷击电流可分为TypeⅡ类型的20 kA、40 kA、60 kA、80 kA、100 kA、120 kA,以及TypeⅠ类型的25 kA等规格型号,可以与不同规格的SPD相匹配。雷击电流通道实施示意如图5所示。8/20 μs波形的20 kA、80 kA雷击波形如图6所示。

图5 雷击电流通道实施示意

图6 8/20 μs波形的20 kA、80 kA雷击波形

3.3 预期短路分断能力设计方案

SPD的应用场合包括LPZ0、LPZ1、LPZ2等区域,与之对应的电网位置也有相应的预期短路分断电流。SPD专用后备保护装置的设计应满足与之对应的预期短路分断能力。初步设计预期短路分断能力为100 kA。

具体的设计方法是利用小型断路器的电磁脱扣器原理,当电流通过绕成环形的线圈时会产生电磁力,用以驱动断开电路。小型断路器电磁脱扣原理如图7所示。在小型断路器短路分断试验时,电流使环形线圈产生磁场,动铁芯、静铁芯在磁场力作用下快速吸合,脱扣杆在动铁芯的带动下撞击动触头机构,机构失去稳定状态,最终使动、静触头分开。

图7 小型断路器电磁脱扣原理

3.4 工频小电流、雷击大电流的有机整合

利用雷击大电流(8/20 μs)与工频小电流的幅频特性不同(20 ms),设计了3层外壳结构,形成两条通路。用第一层与第二层相互配合,实现工频小电流通道,让工频小电流经过小电流通路,用以鉴别、判断、分断电路等功能;用第二层与第三层互相配合,实现雷击大电流通道,让雷电流经过此通路,用以满足不同等级的雷电流泄放能力的要求。此通路在正常状态下是开路状态,当出现雷击时,通过引导电路让此通路导通,从而泄放掉雷电流。SPD专用后备保护装置示意如图8所示。

图8 SPD专用后备保护装置示意

SPD专用后备保护装置串联在SPD回路上,与其配合接入电网使用,作为SPD过电流的专用保护装置。其设定的工频小电流技术指标为3 A,雷击大电流根据不同等级选择不同的配置。

4 结 语

SPD常规后备保护装置无法兼顾大的雷击电流和小的工频电流,当电源系统故障、SPD过流短路、工频电流通过时,其电流值有可能达不到过流保护装置的启动值,过流保护装置不动作,导致工频电流持续通过,防雷元件发热,SPD起火。若过流保护装置的启动值较小,虽能启动,但难以抗击雷电流的冲击,导致SPD无法正常泄放雷电流。采用鉴流技术,将两种电流区别对待,将其引导至不同的通道,针对性地分别处理。试验数据表明,该方法能够实现有效鉴别、判断、分断等功能。此外,两种通路有机整合,应用到产品中。