電源浪涌保護器脫扣裝置存在的問題及改進方法

　　摘要：通過介紹電源電涌保護器熱脫扣裝置的作用及重要性，分析目前市場上以壓敏電阻為主要元器件的電源浪涌保護器熱脫扣裝置存在的缺陷和可能引發的風險，通過對脫扣點低溫焊錫、脫扣裝置的機械結構和MOV物理參數的一致性等改進，從而提高脫扣裝置的可靠性，避免火災事故發生。對提高電源涌保護器的安全性能及被保護設備的安全具有重要的作用。
 

　　關鍵詞：電涌保護器;失效模式;熱脫扣裝置;
 

　　前言
 

　　電源電涌保護器(以下稱SPD)是保護電源系統不被雷電浪涌和操作過電壓等損害的重要電氣設備，已經被廣泛應用。目前，市場上限壓型電源SPD內部的核心元器件為氧化鋅壓敏電阻(MOV)，多種原因都會導致MOV發生故障而失效，而這種失效模式常常表現為短路故障，此時SPD內部的熱脫扣裝置(以下簡稱脫離器)必須動作，把MOV從電路中脫離開，避免發生對地短路故障和引起高電壓波動，燒毀用電設備。但是國內SPD內部的熱脫扣裝置經常采用插拔模塊的管腳與壓敏電阻芯片焊接的方式，其接觸面為線與面的關系，接觸面積小，導致熱傳導性能差，熱量在傳導過程中損耗較大，加上脫扣點均為人工焊接，MOV的溫度最高點位置一致性差，常常導致MOV已經發生熱擊穿，脫扣裝置還沒脫扣，從而引發火災事故。因此，電涌保護器自身發生老化故障或者過載故障時保證內部的熱脫扣裝置及時的動作顯得非常重要。
 

　　1 電源SPD脫離器及失效的原因
 

　　SPD熱脫扣裝置也稱SPD脫離器，把SPD從電源系統斷開所需要的裝置(內部的或外部的)，該裝置除了具有脫離器功能外，還具有過電流保護功能和熱保護功能等[1]。
 

　　1.1 電源SPD內部結構及熱脫扣位置

　　現在使用數量最多的電源用SPD是模數化SPD模塊。它和大多數低壓終端電器一樣，器件的寬度制成9mm的整數倍，且采用標準導軌安裝。MOV模塊的功能件與安裝基座之間通過插頭座連接，因而當功能塊損壞后可以拔出更換。下圖示意性地表示了模數化SPD模塊的一種內部結構，整個結構裝入一個塑料外殼中，其中⑤為熱脫扣點。以下描述為一次脫扣的過程：當SPD發生過載或者短路故障時，MOV電阻片4發熱，熱脫離器的焊點5受熱后達到焊錫的融化溫度時，彈性金屬片6由于具有彈性彈開，并觸動微動開關8，開關狀態從常開轉成常閉，指示燈9亮起，SPD損壞。

　　圖1 SPD內部結構組成圖

1.2 引起MOV失效的原因

MOV是一種半導體材料，當加在它兩端的電壓低于壓敏電壓時，MOV呈高阻值狀態，當加在它兩端的電壓高于壓敏電壓時，MOV在瞬間由高阻值狀態變為低阻狀態，把過電流泄放掉，隨后又恢復到高阻值狀態，下列故障可以引起MOV失效而發生短路故障原因。

漏電電流
 

　　限壓型SPD從安裝到電源線路中的那一刻起，就存在著微安級的漏電電流。它是衡量SPD使用壽命的重要因素，當漏電電流出現不穩定的變化時，MOV開始老化，最終導致發生短路失效故障。
 

　　暫態過電壓
 

　　按照GB 18802.1-2002《低壓配電系統的電涌保護器(SPD)第一部分：性能要求和試驗方法》規定的暫態過電壓為1.5Uc[1]，該電壓正好處于SPD的最大持續工作電壓與啟動電壓之間，使SPD處于半導通狀態。當在SPD兩端加載一個暫態過電壓時，通過SPD的漏電電流會迅速增加，大小在幾百毫安，如果該暫態過電壓持續的時間超過5S，則MOV可能會發生熱擊穿而發生短路老化故障。
 

　　雷電流過載
 

　　當流過SPD的雷電流超過其最大放電電流時，會因過載發生熱擊穿，從而導致MOV發生短路老化故障。
 

　　針對上述可能引起MOV的短路故障，脫離器必須要及時動作脫開，從而避免MOV由于過熱而引發火災事故，并且保證電源系統的供電連續性。
 

　　2 脫離器的技術要求
 

　　目前SPD的大多過熱脫離器都是在MOV的引出片上設置一個低熔點的焊接點，其熔化溫度一般在120℃-150℃，當焊接點的溫度超過該熔點時，依靠彈性片或彈簧的彈力將電路連接拉斷。這個脫離機構應滿足下述基本要求：
 

　　2.1 SPD脫離器的熱穩定試驗

　　應滿足GB 18802.1-2011的三項要求：如果脫離器動作，SPD應有明顯的、有效斷開的跡象;為了驗證該要求，應采用等于Uc的工頻電壓施加1min，流過的電流不應超過0.5mA(有效值);試驗時表面溫升小于120℃，在脫離器動作5min后，表面溫升不應超過周圍環境溫度80℃。
 

　　2.2 SPD脫離器的耐受動作負載試驗
 

　　脫離器不應動作，試驗后，脫離器應處在正常的工作狀態。
 

　　2.3 SPD外部脫離器
 

　　SPD本身或與其外部脫離器如后備過電流保護一起能夠耐受預期的短路耐受電流，且不能對環境造成破壞，必須確保 SPD使用場所的預期短路電流不能高于其短路耐受電流，同時必須確保有適當的后備保護配合并能正常工作。

　　電涌保護器(SPD)和與之相連的過電流保護器(設置在 SPD 內部或外部) ，一起耐受的短路電流(當電涌保護器 SPD失效時產生)應等于或大于安裝處預期產生的最大短路電流。
 

　　3 目前熱脫離器存在的問題及改進方式
 

　　3.1存在的問題
 

　　提高脫離器的工作可靠性是SPD行業最重要的技術課題之一。目前SPD熱脫離器主要有二個問題：
 

　　一是誤動作，即SPD并未發生過熱，脫離器就脫離了，主要原因是低熔點焊點的機械強度差，彈性力就將它拉脫了。二是不動作，主要原因是熱設計不合理和MOV電阻片質量差。為了保證脫扣點能在MOV發生短路故障時能及時動作，現在很多工廠對脫扣點的焊接采用了定量焊錫，但是由于脫扣點采用人工的焊接方式，焊點的一致性很差，這將直接影響脫扣點的脫扣質量，常常表現為脫扣失敗。
 

　　質量差的MOV物理性能一致性很差，溫度的最高點位置不一致，加上目前脫扣點不能實施監測MOV最高點溫度，同時，MOV穩定最高點的熱量傳導到脫扣點是有一定的熱量損耗和時間延時，因此當整個故障時間相當短時，MOV已經發生熱擊穿而脫扣點還沒有斷開的現象而導致整個SPD燒毀并引發火災事故。
 

　　3.2 改進方式
 

　　SPD的過熱脫離器是依靠熱傳導來工作的，它的響應時間一般要數秒鐘，對于強過載引起的MOV“立即擊穿”來不及響應，而MOV短路后，因其阻抗小，電源系統又供不出足夠大的電流，因此熱脫離接點始終不能脫離。在這種情況下，就要求在SPD的內部或外部有其它保護電器來將SPD短路后的工頻電流切斷，這種保護電器稱為“后備保護”。
 

　　為了解決脫扣點不動作的問題，一般會在SPD的外部采用串接熔絲或者微型斷路器的方法，希望在脫扣裝置發生動作失效后能及時把SPD從電網中脫離開，而這種方法也非常不可靠。因為這種后備的保護裝置必須要同時滿足兩個互相矛盾的要求：一方面要能耐大的雷電放電電流而不熔斷或斷開。另一方便在發生SPD短路故障時，在較小的工頻電流必須能夠及時熔斷。顯然這對矛盾體是很難解決的，因為短路電流的大小是很難確定的。
 

　　開發一種新的低熔點接點材料，它要滿足這樣一些要求：熔點在(130-150)℃;具有足夠的機械強度，能夠承受彈性零件的拉力;導電性良好，在SPD的最大放電電流下的溫度要遠低于它的熔點，且電壓降要盡可能小，以免使SPD的限制電壓明顯增大;晶相穩定，能長期保持上述要求的性能;不含有禁用材料，如鉛，鎘等。
 

　　改進SPD內部的熱設計，如盡可能將脫離接點設置在MOV的溫度最高的位置，這將會使脫扣點在最快的時間內動作;改善脫離接點與MOV之間的熱耦合，減小它們之間的熱阻，減小與脫離接點和MOV相聯結的其他構件的熱容量等?？傊筂OV所產生的熱量盡可能快和盡可能多地傳導給脫離接點。
 

　　提高MOV電阻片內部結構的均勻性，以提高它能耐受的過熱溫度，延長它耐受過電壓的時間。開發新的過熱脫離機構，如加進電子控制電路等。
 

　　由于脫扣裝置在脫扣時會在斷開的地方產生拉弧(電弧)，這種電弧如果無法及時熄滅也可能引發SPD燃燒，這對于直流型的SPD尤為重要。在交流系統中電弧是可能存在的，但電弧的長度大大縮短，因為電弧冷卻，在一個正常的周期內通過零點時可能被熄滅。然而直流電流保持相對恒定的，不經過零點，所以電弧相對于大的間隙來說更容易保持。這意味著電弧不一定熄滅盡管有內部熱保護被激活。
 

　　4 結論
 

　　脫離器的改進和研發一直是各SPD生產商研究重要問題，經過分析發現引起SPD脫離器失效的主要原因有焊錫的融化溫度掌握不好，MOV受熱不均勻，熱脫離點不在MOV最高溫度點上以及脫離點的焊接工藝和設計結構等。如果要避免脫離器的失效，必須增大脫扣點的焊接面積、改善焊接的工藝水平。同時，還應注意MOV的生產工藝和篩選配，只有通過反復的測試才能檢驗脫扣裝置的性能，這對于SPD自身和被保護設備的安全性具有重要的意義。
 

　　參考文獻

　　[1] GB 18802.1-2011低壓配電系統的電涌保護器(SPD) 第1部分性能要;中國標準出版社，2011

　　[2] GB50343-2012 建筑物電子信息系統防雷技術規范