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摘要
由于常规SPD的后备保护装置存在严重的保护盲区，通过研究雷电流和工频电流的幅度频率的特性，采用两条平行的通路的方式，对各种电流实现选择性通过和分断，能有效弥补这一缺陷。最后又将其有机地整合成产品，应用到实践中。
关键词：电涌保护器；后备保护装置；雷电流；工频电流
引言
随着国民经济的不断发展，电涌保护器（SPD）早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的状态好坏就直接影响到防雷效果，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的过流故障的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。
01
压敏型电涌保护器失效分析
1.1 压敏型SPD的工作特性
电涌保护器，简称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，用泄放电涌电流。其主要有两种状态。
（1）正常高阻状态：电涌保护器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浪涌过后，电涌保护器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
电涌保护器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，实验过程中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
因电涌保护器是一种保护性元件，产品在电网中将是长期带电状态，因此将会承受各种过电压、过电流的侵袭而导致产品失效，其中尤其突出的有小的工频电流和大的雷击电流的侵袭。
1.3.1小的工频电流导致的失效
电涌保护器是电压敏感元件，当电压超过一定的阈值时，就会产生一定的电流。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的过程中产生的大量的热，就容易出现了产品脱扣或损坏，严重时可能导致爆炸。
1.4 模拟失效后果
氧化锌压敏电阻MOV电气参数劣化首先表现是UC值降低；当UC值低于电源电压时，漏电流就会急剧增大，温升加剧。如异常电流大于5A数秒以上时，会引发雪崩式短路，瞬间产生的热量的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。如图1所示为实验室测试燃爆实验图片。
图1 实验室重现燃爆的试验照片
02
国家防雷设计规范标准要求
防雷设计规范标准明确推荐应用SPD后备保护：IEC 61643-12、IEC60034-5-534以及GB-50057-2010版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）和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。
目前SPD后备保护基本方法有如图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8/20us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IEC61643-12，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。
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
断路器过流保护由于运用了电磁脱扣和灭弧装置，其电涌耐受能力相对较高。断路器式的后备保护装置选型可参考如表2所示。
由于MCB、MCCB均包含电磁脱扣器件，在雷电流通过时残压较高，降低了SPD的电压保护水平。同样MCB的配置方式也只是按SPD最大通流量来设计，以防止雷击时误脱扣。以上应用，依然无法兼顾大的雷电电流和MOV劣化时的工频故障小电流。
还有MCB的分断能力也存在一定的局限性，即使MCB的分断能力能达到15kA，但对于T1、T2级SPD安装位置的预期短路电流而言，依然有无法安全分断的风险。
因此，常规的MCB、FUSE的后备保护装置存在一定的保护盲区。
03
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8μs、半峰值时间为20μs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20μs。两者之间频率相差1000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
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。
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。
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。
3.2 雷击电流设计方案
设计的目标为当浪涌雷击最大的电流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，可以与不同规格的电涌保护器相匹配。雷击电流通道实施示意如图 5 所示。
3.3 预期短路分断能力设计方案
SPD的应用场合可以在各种类型，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的专用后备保护装置的设计也应满足与之对应的预期短路分断能力。初步设计目标为预期短路分断能力为100kA。
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，就会产生电磁力，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、脱扣杆等部件组成。在小型断路器的短路分断实验时，电流使环形线圈产生磁场，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，机构失去稳定状态，最终使动、静触头分开。短路分断实验数据如图7所示。
在充分分析SPD的失效机理后，分别针对不同失效电流提出具有针对性的解决方案。但是如何将这两种方案有机的整合成一个合格的产品是非常大的难题。本设计是利用雷击大电流（8/20us）与工频小电流的幅频特性不同（20ms），设计了三层的外壳结构，形成两条通路。用第一层与第二层相互配合，实现工频小电流的通道，让工频小电流经过此小电流通路，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专用后备保护装置的应用是串联在SPD的回路上，与其配合接入电网使用，作为SPD的过电流的专用保护装置。其设定的工频小电流技术指标为3A，雷击大电流可根据不同的等级可选择不同的配置。
04
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。此外，本文又将两种通路有机整合到一个产品中，实现了由理论到实践的过程。
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