SPD后备保护|压敏型SPD后备保护器的分析与研究

压敏型SPD后备掩护器的阐发与研讨

赵学军

（上海电科臻和智能科技有限公司）

择要

因为惯例SPD的后备掩护装配存在严重的掩护盲区，经由过程研讨雷电流和工频电流的幅度频率的特征，采纳两条平行的通路的方式，对各类电流实现选择性经由过程和分断，能有用补充这一缺陷。末了又将其有机地整合成产物，利用到实践中。

症结词：电涌掩护器；后备掩护装配；雷电流；工频电流

弁言

跟着公民经济的赓续成长，电涌掩护器（SPD）早已年夜量使用在各行各业，在防雷掩护中具有紧张的意义。然而SPD的状况利害就直接影响到防雷后果，设置装备摆设欠妥将给所掩护的装备带来平安隐患。SPD故障的主因有年夜的雷击电流和小的工频电流，而现有的SPD后备掩护装配无法很好地统筹这两种掩护功效，对SPD的过流故障的掩护存在严重的盲区。是以亟待必要一种可以或许统筹断路器功效和工频续流掩护功效的计划。

01

压敏型电涌掩护器失效阐发

1.1 压敏型SPD的事情特征

电涌掩护器，简称SPD。并联在电路上使用，其一端衔接至电源线上，另一端衔接至年夜地，用泄放电涌电流。其主要有两种状况。

（1）正常高阻状况：电涌掩护器在惯例或在额定电压下出现高阻状况，其阻值为兆欧级，在线路中相称于开路状况。

（2）低阻泄放状况：当电涌或雷击瞬态过电压产生时SPD呈低阻状况，起泄放电涌电流和限定瞬态过电压的作用。当电涌过电压或雷击浪涌事后，电涌掩护器立刻会规复至正常高阻状况。

1.2 压敏型SPD的内部布局特色

电涌掩护器主要以氧化锌为质料的利用最为普遍。海内外的防雷企业、专家、学者等颠末多年对SPD的劣化研讨发现：在SPD经多次电涌冲击后，内部元件会逐渐老化。并经由过程实验模拟SPD劣化的进程，试验进程中MOV内部晶粒有裂变交融，压敏的电气机能连续降落。

1.3 潜在失效的缘故原由阐发

因电涌掩护器是一种掩护性元件，产物在电网中将是历久带电状况，是以将会蒙受各类过电压、过电流的侵袭而导致产物失效，此中尤其凸起的有小的工频电流和年夜的雷击电流的侵袭。

1.3.1小的工频电流导致的失效

电涌掩护器是电压敏感元件，当电压跨越必定的阈值时，就会发生必定的电流。而电网是繁杂的综合收集，能发生多种过电压征象。例如断路器、开关等频仍断开或闭应时的操作过电压；电磁阀、掩护开关、变频器、软启动器等频仍启动发生过电压；电路中存在电感、电容等器件的耦互助用发生的过电压等；这些过电压综互助用将可能导致SPD失效。

1.3.2雷击电流导致的失效

当有雷电产生时，若在SPD蒙受规模内的雷电流，电涌能被SPD平安泄放，而不会毁坏；然则若雷电频仍或雷击能量分外年夜时，SPD无法蒙受在电涌泄放的进程中发生的年夜量的热，就容易呈现了产物脱扣或毁坏，严重时可能导致爆炸。

1.4 模拟失效效果

氧化锌压敏电阻MOV电气参数劣化起首表示是UC值低落；当UC值低于电源电压时，泄电流就会急剧增年夜，温升加剧。如非常电流年夜于5A数秒以上时，会激发雪崩式短路，刹时发生的热量的凑集进程快于散热通报速率，到达压敏电阻热瓦解点，造成熔溃故障，乃至激发燃爆火灾事故。如图1所示为试验室测试燃爆试验图片。

图1 试验室重现燃爆的实验照片

02

国度防雷设计规范尺度要求

防雷设计规范尺度明白保举利用SPD后备掩护：IEC 61643-12、IEC60034-5-534以及GB-50057-2010版等防雷设计尺度中保举利用过电流掩护器（如熔断器和断路器）和SPD串联使用作为SPD产生劣化短路失效时的后备过电流掩护装配。

今朝SPD后备掩护根本办法有如图2所示：

图2 几种SPD的后备掩护办法

2.1 熔断器式的后备掩护装配

熔断器的设置装备摆设是按防雷器在8/20us波形下最年夜单次冲击计算设置装备摆设额定值，以实现对SPD的短路失效进行掩护。在尺度IEC61643-12，表P.1给出了熔断器耐受冲击才能的一些规格、尺寸的实验测试数据。基于简化公式的峰值电流典型值和现实测试值对照如表 1 所示。

熔断器过流掩护特色是布局简单，附加残压相对付MCB较低，分断才能较高。但惯例熔断器后备掩护有SPD过流掩护盲区，尤其是在电路存在工频小电流时，无法实时断开电路。并且体积较年夜，不易实现故障遥信功效。

2.2 断路器式的后备掩护装配

断路器过流掩护因为运用了电磁脱扣和灭弧装配，其电涌耐受才能相对较高。断路器式的后备掩护装配选型可参考如表2所示。

因为MCB、MCCB均包括电磁脱扣器件，在雷电流经由过程时残压较高，低落了SPD的电压掩护程度。同样MCB的设置装备摆设方式也只是按SPD最年夜通流量来设计，以防止雷击时误脱扣。以上利用，依然无法统筹年夜的雷电电流和MOV劣化时的工频故障小电流。

还有MCB的分断才能也存在必定的局限性，纵然MCB的分断才能能到达15kA，但对付T1、T2级SPD安装地位的预期短路电流而言，依然有无法平安分断的风险。

是以，惯例的MCB、FUSE的后备掩护装配存在必定的掩护盲区。

03

新型后备掩护器的研讨与阐发

尺度中划定雷击电流是波前光阴为8μs、半峰值光阴为20μs的冲击电流，获得雷击电流近似频率为50 kHz。而工频电流频率为50 Hz，对合时间周期为20μs。两者之间频率相差1000倍。

应用雷电流与工频续流的幅频特征分歧，设计了两个通路，使有差别的两种电流经由过程分歧通路。依据其在电路传输发生的感抗为

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

3．1 小电流通道设计计划

依据试验室测定，当压敏电阻的工频电流年夜于 5 A 数秒以上时，在几秒内可能引起压敏电阻燃爆。是以可以在小电流通道上设计热双金属片装配。热双金属片是由两个( 或多个) 具有分歧热膨胀系数的金属或合金组元层复合在一路的资料。当电流经由过程此装配时，热双金属片弯曲，当到达必定行程时使之堵截电源，以到达脱离电网的目标。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

详细设计办法是在电源的输入端子依次衔接动触头、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，光阴 ≤7 s。测试的工频电流特征如图 4所示。

图4 测试的工频电流特征

3.2 雷击电流设计计划

设计的目的为当浪涌雷击最年夜的电流Imax经由过程SPD与之共同的专用后备掩护装配时，专用后备保装配不该误脱扣，使电气装备防雷始终处于有用状况。

详细设计办法是在电源的输入端子依次衔接放电型开关管、输出端子。设计指标可依据分歧的雷击电流可分为Type II类型的20kA、40kA、60kA、80kA、100kA、120kA，以及Type I类型的25kA等规格型号，可以与分歧规格的电涌掩护器相匹配。雷击电流通道实施示意如图 5 所示。

图5雷击电流通道实施示意

图6 8 /20μs波形的20 kA、80kA雷击波形

3.3 预期短路分断才能设计计划

SPD的利用场所可以在各类类型，包含LPZ0、LPZ1、LPZ2等区域，与之对应的电网地位也有响应的预期短路分断电流。SPD的专用后备掩护装配的设计也应满意与之对应的预期短路分断才能。初步设计目的为预期短路分断才能为100kA。

详细的设计办法是应用小型断路器的电磁脱扣器原理，当电流经由过程绕成环形的线圈时，就会发生电磁力，用以驱动断开电路。如图9所示，它由环形线圈、动铁芯、静铁芯、弹簧、脱扣杆等部件构成。在小型断路器的短路分断试验时，电流使环形线圈发生磁场，动、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，机构失去稳固状况，终极使动、静触头离开。短路分断试验数据如图7所示。

图7小型断路器电磁脱扣原理图

在充足阐发SPD的失效机理后，分离针对分歧失效电流提出具有针对性的办理计划。然则若何将这两种计划有机的整合成一个及格的产物长短常年夜的难题。本设计是应用雷击年夜电流（8/20us）与工频小电流的幅频特征分歧（20ms），设计了三层的外壳布局，形成两条通路。用第一层与第二层互相共同，实现工频小电流的通道，让工频小电流颠末此小电流通路，用以辨别、断定、分断电路等功效；用第二层与第三层相互共同，实现雷击年夜电流通道，让雷电流颠末此通路，用以满意分歧品级的雷电流泄放才能的要求。此通路在正常状况下是开路状况，当呈现雷击时，经由过程领导电路让此通路导通，从而泄放失落雷电流。SPD专用后备掩护装配示意如图8所示。

图8 SPD 专用后备掩护装配示意

SPD专用后备掩护装配的利用是串联在SPD的回路上，与其共同接入电网使用，作为SPD的过电流的专用掩护装配。其设定的工频小电流技术指标为3A，雷击年夜电流可依据分歧的品级可选择分歧的设置装备摆设。

04

结语

SPD 惯例后备掩护装配无法统筹年夜的雷击电流和小的工频电流，当电源体系故障、SPD 过流短路、工频电流经由过程时，其电流值有可能达不到过流掩护装配的启动值，过流掩护装配不动作，导致工频电流连续经由过程，防雷元件发烧，SPD动怒。若过流掩护装配的启动值较小，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。采纳鉴流技术，将两种电流区别看待，将其领导至分歧的通道，针对性地分离处置。实验数据注解，该办法可以或许实现有用辨别、断定、分断等功效。此外，两种通路有机整合，利用到产物中。此外，本文又将两种通路有机整合到一个产物中，实现了由理论到实践的进程。

参考文献：

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[2] IEC61643-12: 2002 衔接于低压电力体系的电涌掩护器——选型和利用原则[S].

[3] GB18802.1-2011 低压配电体系的电涌掩护器机能要乞降实验办法[S].

[4] 全宇辰, 侯越. 电涌掩护器(SPD)后备掩护电器选用的讨论[J]. 电气工程利用, 2008, 003: 43-47.

[5] 黄丽雄,王宏平易近.电涌掩护器后备掩护装配的选用原则[J]. 当代建筑电气, 2015, 6(010): 24-28.

[6] 李敏.SPD中后备掩护器件选用问题的研讨[J].科技立异导报, 2010, (2): 14-16.

Analysis and Study of Pressure-sensitive type SPD Back-up Protector

ZHAO Xuejun (1985 -), engineers,

engaged in the field of lightning protection design

(Shanghai SEARI GEHE intelligent technology co., LTD., Shanghai 201401)

Abstract:due to the conventional SPD backup protection device exists serious protection blind area, through the study of lightning current and power frequency current amplitude frequency characteristics, with the method of two parallel pathways, for a variety of current to achieve selective and breaking, can effectively make up for the defects. Then to organically integrate it into products, applied to practice.

Key words:Surge Protector; Backup protection device; Lightning current; Power frequency current

天然界中的雷电弗成能消散

人类对技术提高的憧憬和激动也弗成能终止

技术提高带来的潜在威逼

只能靠技术的继续提高来办理