一种高性能电源电涌保护器的设计

黄克俭，邳 莹，戴争鸣，刘克稳，黄丁诚

（1.中国气象局气象干部培训学院湖北分院，湖北武汉 430074；2.湖北省防雷中心，湖北武汉 430074；3.武汉强宝科技有限公司，湖北武汉 430000）

在低压配电系统的雷电防护中，金属氧化物压敏电阻（MOV）应用最多[1-7]。采用压敏电压过低的MOV，影响其工作的稳定性，采用压敏电压较高的MOV，又会对SPD 的电压保护水平产生影响[8]。因此，在低压配电系统中一般采用多级电源SPD 防护，各级之间需满足一定的距离要求[9-14]。然而，对于狭窄或孤立区域的低压配电线路防护（如移动基站、高山或孤岛雷达或气象站等）无法设置多级SPD，且这些地方一般多为雷电活动频繁区域。单独设置一级SPD 无法同时满足通流量大、残压低且响应时间快的要求。为此，设计了一种工作稳定、通流量大且残压低的高性能电源SPD，以满足狭窄或孤立区域的电源系统防护要求。

1 设计思路

雷电流由一个或多个不同的雷击组成，其中短时间雷击的波形如图1 所示[15]，它分为上升沿和下降沿两大部分，因波头上升沿陡，时间短，而下降沿部分下降平缓，其主要能量分布在下降沿部分，图1中I表示雷电流的峰值。

图1 雷电流波形图

针对雷电流特征，利用MOV、放电间隙、气体放电管、瞬态电压抑制二极管（TVS）等各非线性元件的特点，采用多器件、多通道组合成的一体化拓朴电路，分别对雷电进行有序吸收与释放。由响应速度快的非线性元件在雷电波的上升沿时快速响应，在雷电波下降沿时由通流容量大、残压低的非线性元件来吸收和释放，从而使SPD 的性能满足通流量大、残压低且响应时间快的要求。其原理方框图如图2所示，它由波头快速响应通道、能量吸收预发通道、能量释放通道三通道组成。

图2 高性能电源SPD原理方框图

2 技术方案

按照上述的设计思路，高性能电源SPD 主保护电路设计如图3 所示。其中，波头快速响应通道由TVS、电阻R1、金属氧化物压敏电阻器MOV2 组成，其主要任务是利用瞬态电压抑制二极管的快速响应特点，在雷电波波头来临时快速响应；能量吸收预发通道由金属氧化物压敏电阻器MOV1、电阻R2、金属氧化物压敏电阻器MOV2 组成。其主要是起承上启下作用。在波头快速响应通道响应后，当雷电波电压上升至金属氧化物压敏电阻器MOV1 的压敏电压时，能量吸收预发通道开始响应导通，释放消耗波头能量，并为能量释放通道的导通创造条件；能量释放通道由金属氧化物压敏电阻器MOV1、气体放电管GDT 组成，其主要任务是吸收释放雷电波的能量，当能量预发通道电压上升至放电管击穿导通电压后，能量释放通道完全响应导通，释放雷电波下降沿部分的能量。

图3 高性能电源SPD主保护电路图

电路中的电阻R1、R2，分别用于波头快速响应通道与能量吸收预发通道电路的限流，限制过大的电流流过波头吸收通道与能量吸收预发通道上各元器件，对电路起到保护作用。金属氧化物压敏电阻器MOV2 为波头快速响应通道与能量吸收预发通道的共同导通通道，该元件的压敏电压U1mV取适当的值，使整个电源SPD 的最大持续运行电压达到在较大电源波动情况下能稳定工作的能力，该高性能电源SPD 的压敏电压U1mV设计为不小于620 V，即该高性能电源SPD 的Uc取值不小于385 V。由于金属氧化物压敏电阻器MOV2 主要吸收波头能量，通流参数不必取大，为此，取标称放电电流为5 kA 的MOV 阀片。金属氧化物压敏电阻器MOV1 为两组并联标称放电电流In为20 kA 的MOV 阀片，气体放电管GDT 为大功率的两组并联气体放电管，因MOV1 与GDT 串联，故MOV1 的压敏电压可取比金属氧化物压敏电阻单独使用时相对较小的值。由于气体放电管导通后两端电压很低，通过选择MOV1 的压敏电压及通流量和放电管击穿导通值及通流量，使能量释放通道的端电压被钳位在较低水平，以实现整个电源SPD 的高通流、低残压的要求。

因金属氧化物压敏电阻存在老化问题，严重的会起火燃烧。为此，在金属氧化物压敏电阻器MOV1 和MOV2 上采取过热保护措施。具体方法是在MOV1 和MOV2 上各串联一贴片热保险丝AUPO。当金属氧化物压敏电阻器因老化出现过热情况时，贴片保热保险丝AUPO 熔断，将金属氧化物压敏电阻器从电路中切除，从而不影响低压配电系统的正常供电。

3 试验与分析

为使设计的高性能电源SPD 各元件能良好地协调配合，实现总体设计功能，对其设计产品进行了冲击性能测试，以验证和修订各元器件参数的取值。为验证该高性能电源SPD 具有低限制电压（残压）的性能，依照GB18802.1-2011[16]的标准，对该产品进行了限制电压（残压）的测试。图4-6 分别为20、40、60 kA 8/20 μs 冲击电流下的残压波。

图4 高性能电源SPD 20 kA 8/20 μs冲击电流下的残压波形

图5 高性能电源SPD 40 kA 8/20 μs冲击电流下的残压波形

图6 高性能电源SPD 60 kA 8/20 μs冲击电流下的残压波形

为与常用的限压型电源SPD 在限制电压（残压）性能方面进行比较，选用了In为20、40、60 kA，Uc为385、420 V，标称电压保护水平Up在1.5～2.5 kV 之间的多品种电源SPD 作为试品，对其进行限制电压（残压）的测试，测试20、40、60 kA 8/20 μs 冲击电流下的残压波如图7-9 所示。

图7 某In=20 kA、Up=2.2 kV、Uc=385 V的电源SPD20 kA8/20 μs冲击电流下的残压波形

图8 某In=40 kA、Up=2.2 kV、Uc=385 V的电源SPD40 kA 8/20 μs冲击电流下的残压波形

图9 某In=60 kA、Up=2.5 kV、Uc=385 V的电源SPD60 kA 8/20 μs冲击电流下的残压波形

上述两种试品的残压试验数据统计结果如表1所示。

表1 残压冲击试验统计表

从表1 可以看出，设计的高性能电源SPD 相比于Uc/U1mA为385/621 V的SPD和Uc/U1mA为420 V/681 V的SPD，其残压在20、40、60 kA 冲击电流情况下分别下降33%和41%、39%和45%、35%和41%。

为验证该高性能电源SPD 具有高通流量的性能，对多个高性能电源SPD 进行了通流能力的测试。具体方法是以60 kA 为起点逐步升级冲击电流值对其进行冲击试验，每次冲击的时间间隔以试品冷到环境温度为准。其结果如下：高性能电源SPD均可承受两次以上的100 kA 8/20 μs 冲击电流的冲击，最高可达110 kA。图10 为110 kA 8/20 μs 冲击电流下的电流电压波形。

图10 高性能电源SPD 110 kA 8/20 μs冲击电流下的电流电压波形

因高性能电源SPD 主放电通道采用的是40 kA的MOV，因此与In=40 kA 的电源SPD 进行比较，常用的单模块限压型SPD 的通流能力基本与标称的最大8/20 μs 冲击电流Imax相符，最大仅能达到80 kA。因此，该高性能电源SPD 具有较高的通流能力。

4 结论

1）该高性能电源SPD 利用各种非线性元件的特点，采用多器件、多通道组合成的一体化拓朴电路，分别对雷电进行有序吸收与释放。从而在较高持续运行电压U（c该高性能电源SPD 最大持续运行电压Uc不小于385 V）条件下，使SPD 达到通流量大且残压低的性能。

2）残压冲击试验表明，高性能电源SPD 在20、40、60 kA8/20 μs 冲击电流情况下平均残压分别为1.11 kV、1.41 kV、1.65 kV。相比 于Uc为385、420 V 的SPD，其分别下降33%和41%、39%和45%、35%和41%。

3）通流冲击试验表明，高性能电源SPD 可承受两次以上的100 kA 8/20 μs 冲击电流的冲击，最大通流能力可达110 kA。