防止浪涌抑制器引起火险的措施.doc

防止浪涌抑制器引起火险的措施含有晶体管的电器设备，特别是包含集成电路的设备（例如，个人电脑、磁带录象机）当受到交流电源电压上的瞬态过压时容易受到损害。当没有浪涌抑制器时，瞬态过压可能有一个高达6000V的峰值的电压，这样就会毁坏晶体管、集成电路以及其他元器件。这些瞬态过压通常是由雷击和开关阻抗负载而引起的。考虑到这些威胁性及易受损性，将个人电脑或其他电路系统接入浪涌抑制器是一个很好工程举措。在20世纪80年末期火灾调查组开始意识到浪涌抑制器可以引起火灾，如此的认识导致火灾部门认为浪涌抑制器是导致火灾的原因。例如：1.华盛顿大学制作了一份关于浪涌抑制器之火险的网页，其中谈到在1995年二月底，Bainbridge 岛上的两个家庭因使用多功能电源浪涌抑制器而导致火灾并且失去了家庭。这个网页已经被设在加利佛尼亚大学的安全办公室网站上。2.美国州部于1998年9月发行了一个小册子标题为“浪涌抑制器可以导致火灾”，讲述火灾给日内瓦造成了150000美元的损失，且在其他地方也有数起火灾发生。3.1998年8月28日U.S能源设备部发布一个“所学到一课”的网页，并且附有于1998年8月28日在Stand Linear Accelerator中心浪涌抑制器引起火灾的照片。 这些网页内容仅仅反映了这些问题中的一小部分。许多发生过浪涌抑制器着火的人很少会在网上谈论这样的事情 。事实上，在家中或商业场所的着火原因从来都没有被真正了解过。因为在大火之后， 许多东西都是黑乎乎的一片且塑料壳体中的元器件大都被火融化了，这使得拆卸和调查分析变的很困难。此篇文章仅涉及在单相120V交流电源电压上美国家庭和办公室所使用的浪涌抑制器。我邮寄这篇文章的目的仅为了警醒公众有关浪涌抑制器之火灾危害的问题。在文章末尾有一些技术的参考文献，并且我已经尽量缩减这篇文章中的技术信息。压敏电阻器MOVs，是一种浪涌保护元件，于1968年由日本的Matsushita电气公司发明，并且从1973至20世纪80年代由通用电气公司在美国市场上拓展，最后是Harris。至今在世界上至少有6家生产压敏电阻厂家。压敏电阻的发展和世界范围内的普遍出现的易受设备发展相一致。例如：私人电脑、电视机以及集成电路中的立体声系统等在电源电压上都需要受到浪涌保护。连接在交流电源的压敏电阻通常是不具传导性的，当有瞬态过压时，压敏电阻就具有传导性并且转移浪涌电流离开易受设备，与此同时也限制了浪涌电压幅值。在1989年有超过109数量的压敏电阻在世界范围内销售。浪涌抑制器内部的压敏电阻通常以接线盒式组装，但也可以采用其他形式。并且在20世纪80年代每一年至少有108数量的浪涌抑制器在世界范围内销售。压敏电阻本身是一个不可燃烧的锌瓷片，但是压敏电阻的持续导通就会导致其外部的环氧壳体像蜡烛一样燃烧。压敏电阻的低功损耗会使其变热从而导致其周围的塑料融化。在一些情况下，易燃的塑料可能会被热压敏电阻器或燃烧的环氧壳体点燃。建议较高MCOV值在交流电压下如果连接到交流电源上的压敏电阻器都设定为非导通的,则此交流电压至少为电源-大地电压的1.4倍,并且最好为电源-大地电压的2倍(也就是说对于在120V电源上使用的压敏电阻器，其最大持续工作电压(MCOV)额定值至少要为170V,并且最好为250V),这样压敏电阻器引起火灾的可能性就降低了。尽管如此，几乎所有美国浪涌抑制器的生产厂家仍将抑制器使用在120V电源上，且最大持续工作电压（MCOV）额定值仅为130V的压敏电阻器。这个最小的MCOV额定值在正常工作电压上不具有传导性。使用这种具有MCOV最小额定值的压敏电阻器的好处就是在浪涌期间它可以提供最低电压保护等级（在美国有时把它叫“钳位电压”）。标题为“瞬态过压浪涌抑制器”的UL1449标准，分配到浪涌抑制器的额定值以电压保护等级为基础，330V为最小的，并且也是最好等级。一些工程师批评UL在测试过程中包含操作额定值，这样就会限制安全范围。尽管如此，没有UL电压额定保护值，厂家将仍会强烈要求尽可能最低的电压保护等级。并且竞争性厂家之间的诉讼是关于不同的浪涌峰值电流或不同的浪涌峰值电流波形，这样排除了消费者之间意义性的对比。MCOV额定值为130V的压敏电阻器，传导0.001A电流，电压VN为200V。VN一般被认为是导通和非导通之间的界限：在幅值电压低于VN时，压敏电阻一般被认为是非导通的。在美国使用的120V正弦曲线电压有一个大约170V的峰值电压。通过170V和200V两种电压的对比，可以看出峰值电源电压和压敏电阻器开始传导的电压之间有一个仅30V的差值。这个30V差值是很小的安全差值。此处有大量施用电压的干扰，此干扰可以导致峰值电压超过170V：1.常规的120/240V系统上中性导体的缺失，可以导致建筑物内半个支路上产生暂态过压。在暂态过压期间60HZ正弦曲线波形的有效电压值异常高且持续数分钟或几小时。2.发生长时间的浪涌，但是具有把大量能量转换到传导性的压敏电阻上的能力。在配电系统中熔断器的中断是导致长时间浪涌的一个原因，另一个原因是在配电系统中开关功率-因素纠正容器。3. 在有效电压为60HZ正弦曲线波形期间，暂态过压值异常高且持续一段时间。此种暂态过压的常见原因包括暂态负载吸合以及25KV的分配电源降至12KV分配电源。压敏电阻器的设计目的在于吸收被保护产品上低于1毫秒时间的暂态过压，而不是调整持续的正弦曲线施用电压。选择具有较大MCOV额定值的压敏电阻器可以有助于在暂态过压期间保护其不具传导性且免于最终导致的着火现象。许多年以来，浪涌抑制器的设计者简单地认为低电压保护等级可以给设备提供最好的保护，但并没有意识到这儿还有其他一些考虑（例如，避雷装置和抑制器的配置，建筑物内浪涌抑制器之火灾）。在1990年，Smith和Standler在实验室做了大量实验结果表明一个小的消费器具样品需要超过2000V开路浪涌峰值电压才会受到破坏。所以，330V和500V之间的浪涌抑制器的电压保护等级的不同也就没有什么意义了。选择压敏电阻的MCOV额定值只很重要的，这不仅仅是因为能够避免因交流电源上电压干扰而引起的火灾，而且因为需要配置浪涌避雷装置和浪涌抑制器。在下一节中讨论配置这个问题。浪涌避雷装置和抑制器的配置浪涌保护采用两种形式：1.浪涌避雷装置被连接到电源断路器控电板上，以防止浪涌进入建筑物内的电线上，并对整个建筑物提供浪涌保护。（例如，雷击等等）2. 连接在墙壁式插座和易受设备（例如，电脑）之间的浪涌抑制器经常置于外部的出线盒或设备本身之中。浪涌避雷装置和浪涌抑制器都是浪涌保护装置（SPDS）的一部分。一般来说，浪涌避雷装置用于转移较大浪涌电流，并且可以比浪涌抑制器吸收更多浪涌的能量。设计浪涌保护装置的工程师似乎是假设他们的产品是在建筑物中单独使用。尽管如此，好的工程措施是在电线接入建筑物这一接线点上使用浪涌避雷装置，另外浪涌抑制器在墙壁插座上或易受设备内部。你将需要去配置避雷装置和抑制器，以使它们更好的协调工作。从29世纪70年代至20世纪中期，在美国常规做法是:一个MCOV额定值为175V的浪涌避雷装置（也就是在ANSI/IEEEC62.1-198/4和ANSI/IEEEC62.11-1987中的最低额定值）和一个MCOV额定值为130V的浪涌抑制器搭配使用。但不好的是此种常规做法导致了糟糕的配置，并且浪涌抑制器（具有较小浪涌能量值）经常会被用于保护浪涌避雷装置（具有较大浪涌能量值）。这种常规做法源于浪涌抑制器由致力于高电压转移和分配的浪涌保护装置的工程师设计,他们较关注的是作为测试和设计一部分的产品寿命长短。另一方面，浪涌抑制器在生产时几乎没有任何的工艺设计和测试过程，仅仅简单包括一个接入出线盒中的额定值为130V的压敏电阻器,以获得最低电压保护等级。正如Scuka于1987年指出最好的设计是避雷装置的电压保护等级低于浪涌抑制器电压保护等级。在1991年Standler提出MCOV额定值为150V的浪涌制动装置连同MCOV额定值为250V的浪涌抑制器可以在120V的电源电压上使用。如此配置浪涌避雷装置和浪涌抑制器有以下四点好处：1.浪涌保护装置的较低成本。一个相对昂贵的浪涌避雷装置要求在电源接入建筑物的接线点上使用，相对便宜的浪涌抑制器（单价低于5美圆）要求在建筑物内和易受设备连接的墙壁式插座上使用。因为具有配置合适的浪涌避雷装置,所以浪涌抑制器可以使用一个尺寸为7或10mm压敏电阻,而无需使用常规做法中比较昂贵的尺寸为14或20 mm压敏电阻。2. 良好的电磁兼容性。因为在建筑物内有来自浪涌电流的较小辐射磁场。3. 不受浪涌抑制器保护的墙壁插座上的较低浪涌电压。4. 浪涌引起抑制器爆炸的可能性降低。参考：RBStandler，1992IEEE EMC Symposium 于198页；RBStandler，1991Zurich EMC Symposium 于522页。通过使用一个MCOV额定值为150V的避雷装置，对于从建筑物外部进入的所有浪涌（例如雷击），可以在建筑物获得一个低电压保护水平。并且对于在建筑物内发生的且时间低于几微秒的浪涌能够被电器设备里过滤器阻断，同时也被MCOV额定值为250V的浪涌抑制器所转移。虽然这不是常规做法，但当避雷装置失灵时，可以设计一个能够切断60HZ电流的避雷装置。这样即使在避雷装置失灵后仍可以保护建筑物内的设备。例如，压敏电阻可以被包含在热断路器组装中，失灵压敏电阻的热量可以使中断器脱扣。雷击中的大量浪涌电流、或者在交流电源上较大的60HZ故障电流可以导致浪涌保护装置爆炸。你要庆幸的是浪涌避雷装置爆炸而不是浪涌抑制器爆炸。因为避雷装置一般都配置在金属断路器控电板上或施用房间里，在此处发生爆炸伤害性比较小而且附近有较少的易燃物。相反地，浪涌抑制器都配置在房间的桌底下，且人们都在房间内工作。生产厂家的措施在20世纪70年代末，通用电气公司已经意识到他们其中一些浪涌抑制器发生着火现象。对于发生的这些事故，通用电气公司于20世纪70年代晚期对在120V电源上使用的浪涌抑制器做出两项改革：1.包括一个热中断器，它可以从电源端切断热压敏电阻，而且其期望在压敏电阻环氧壳体之前开始燃烧。2. 将压敏电阻最大持续操作电压额定值（MCOV）从130V增加到170V以便在正弦峰值电源电压和压敏电阻开始传导一定电流的最小电压之间提供一个较大的安全幅值。不顾通用电气公司浪涌抑制器的设计和改革, 在20世纪70年代USA市场上出售的浪涌抑制器大都继续使用额定值为130V的压敏电阻。而且不顾20世纪70年代浪涌抑制器的设计和20世纪80年代早期的几项专利要求，大约在1998年以前USA市场上出售的浪涌抑制器大多仍没有热中断装置。热中断装置（有时叫“热切断器”，口语或叫“热熔断器”）在当装置温度超过额定温度时，可以切断电流。热中断装置通常包括蜡封颗粒，其在一定温度下可以融化并通过弹簧去中断电气连接。热中断装置在许年前就已经使用了，所以它不算是一种新元件。于1998年2月生效的UL1449标准第二版本，要求浪涌抑制器可以通过安全方式失灵，或连接到2倍电源电压上大约7个小时后仍完好无损。要想通过这个测试且在浪涌期间仍有一个低电压保护水平的最好办法就是在压敏电阻上安装一个热中断装置。为什么UL花费很长时间来修改标准来预防浪涌抑制器引发的火灾？因为UL标准每一处的修改都要由“工业咨询小组”来指导，且他们都是由厂家的员工组成并按照标准来测试的。从工作我可以了解在20世纪80年代末和20世纪90年代初期，浪涌抑制器的厂家强烈反对以任何破坏方式对浪涌保护装置进行操作标准测试，因为此项测试可能会受到火险或爆炸危险而且可能会发现他们的产品是不合格的。更令人震惊的是在美国许多商用浪涌抑制器竟把热中断装置和压敏电阻串联，以至于在中断器断开之后，易受设备（例如计算机电视接收设备、立体声设备）被暴露在任何可破坏压敏电阻的电压中。浪涌抑制器生产厂家似乎更注重保护便宜的压敏电阻而不是保护昂贵的电气设备。在压敏电阻和受保护设备上连接一个热中断器，使设备总是处于被保护或电源断开状态，这是个很好的工程举措。在20世纪80年代末，当我积极致力于浪涌保护装置的ANSI/IEEE标准发展和认证时，我听到许多关于浪涌抑制器引起火灾的报道。尽管如此，浪涌抑制器的生产厂家并没有透露任何火灾情况和任何有关失灵浪涌器的检查结果。因此作为工程师的我并不属于浪涌抑制器生产厂家的一员，所以根本不可能知道普遍问题之所在或是着火的根本原因。我的工作是作为专家去调查有关浪涌抑制器引起火灾及产品可靠性事件，这就让我于2001年3月期间有机会去检查大量的有关进口商失效产品的文件资料。这些进口商显然是知道他们许多产品都有引发火灾的可能性。偶然的一次，我看到几份有关消费者投诉进口商在水池底使用的浪涌抑制器的资料,很有趣。当浪涌抑制器开始着火的时候，燃烧的热量使水池里的玻璃炸裂并且掉进水里灭了火。撰写和批准有关浪涌保护装置标准的过程要受到这些浪涌抑制器生产厂家的控制，这样的主导性是很容易理解的：1.这些厂家的商业直接受到几个标准的影响，而相反的，代表使用者和公众利益的工程师要关注的是成千上万份标准，并且少量的旅行津费和有限的时间让使用者和公众利益的代表者无法正常参加改进浪涌抑制器标准的会议。2.大多数关于浪涌保护装置的工程项目和浪涌测试实验都在浪涌保护装置生产厂家进行，这使得代表公众利益的工程师在科技研讨中处于劣势地位。3. 最后，在反-信赖条款的规定中，有关限制贸易投诉的可能使IEEE标准委员会办公人员和下属机关不敢提出任何损害到厂家销售利益的起草标准。其实这些办公人员并没有真正理解反-信赖之条款规定，只是害怕厂商的投诉。从1985年-1990年来自U.S.军队和当地对于我研究的有关浪涌保护装置运用的财政支持使我成为低电压保护装置之ANSI/IEEE标准发展的唯一教授。但是在1990年冷战即将结束时，我的财政支持被彻底取消了，与此同时的经济衰退也使得我研究资金减少了。在以后的5年时间内我继续以自费方式参加会议，然后我放弃了在ANSI/IEEE标准的工作。因为美国政府及公用事业方面的因素使得投放在科研及工程研究方面的财政支持大大减少，这还只是损害公众利益中的其中一个例子。我的建议由于考虑到着火的可能性，一些使用者可能会拒绝使用所有浪涌抑制器。拒绝使用所有的浪涌抑制器也是一种过激行为。因为计算机遭浪涌破坏的可能性要比浪涌抑制器造成火灾的可能性大的多。在许多环境中(例如,商业上、物理办公室、律师办公室)计算机的正常运作、存储数据以及文件的迅速浏览都是很重要的。如果没有浪涌保护，计算机的安全可靠性就会降低。在谈到发生火灾的可能性比浪涌破坏未受保护计算机可能性要小的多，我的意思并不是说火灾是可以接受的。当有可预见的情况时，产品，包括浪涌抑制器应该以安全的方式失效。当浪涌抑制器引起火灾时，受害人的保险公司可能要赔偿损失，他们仅认为火灾是由其他原因引起的。如果保险公司分清浪涌抑制器是引起火灾的原因，可能就会对浪涌抑制器生产厂家或其进口商提出诉讼。浪涌抑制器本身使用氧化金属压敏电阻是没有任何错误的，并且具有能量吸收能力的浪涌抑制器比所使用的压敏电阻（而不是半导体硅）要便宜的多。那么在浪涌抑制器中压敏电阻的问题就在于其糟糕的设计：1.MCOV的额定值过低2. 无热中断器3.便宜的可燃烧的塑料壳体。4.未配制避雷装置（更糟糕的是在断路器控电板上无浪涌避雷装置）。根据以上情况，我总结了以下几条建议：1、 在1998年2月之后且已通过UL1449第二版本测试而生产的浪涌抑制器要比早期的产品更具有安全性。2、 当选择浪涌抑制器时，不要购买具有最小MCOV额定值的压敏电阻产品（例如，130V的施用在120V电源电压上），这样做不仅仅是因为容易引起火灾，而且是因为配制浪涌抑制器和浪涌避雷装置的困难性。3、 通过把浪涌抑制器放置在远离易燃物（例如：纸、窗帘）的热电阻玻璃容器内，可以避免故障浪涌抑制器的塑料壳体发生着火或燃烧现象。4、 浪涌抑制器和浪涌避雷装置可以传导非常大的浪涌电流，例如：（雷击产生的电流）这些可能构成爆炸的危险。因为在20世纪70年代中期时，我就开始设计浪涌抑制器，所以以我个人经验来看，就是把压敏电阻放在金属壳体中最好是钢的壳体，并且在壳体中的压敏电阻周围有大量的间隙，以包容任何火险或爆炸现象。5、 在断路器控电板上安装一个浪涌避雷装置。以上建议对预防火灾来说并没有绝对保证，但是无论如何这些建议对于我来说都是具有合理性的。要想从我这里得到更多的信息你方必须聘我为顾问。作为一个私人顾问，我不可能对每个人都提供免费建议。安装于墙壁中的浪涌抑制器在20世纪80年代，好几个电器插座的生产产家（例如：LEVITON PASS & SEYMOUR）开始生产插座式的内含氧化金属压敏电阻的浪涌抑制器。我特别关注这种内置于墙壁式插座中的压敏电阻，因为这些墙壁式插座许多都被接入塑料盒中，且此塑料盒又被订入横梁中。如果压敏电阻着火，则它将点燃置于墙壁内的横梁。相反的，如果置于外部出线盒上的浪涌抑制器发生着火，一旦屋内的人们注意到着火的烟雾，就会迅速拔下浪涌抑制器插头或者喷洒灭火剂。如此迅速的切断火源对于内置于墙壁内的浪涌抑制器是不可能的。我并不是说任何火灾都是由在电源插座里的压敏电阻导致的，但我只想提醒此种火灾的可能性并且希望火灾调查者能够考虑到这种可能性。结 论在20世纪80年代和20世纪90年代期间，USA市场出售的浪涌抑制器几乎不带有任何的工程设计原理，许多浪涌抑制器只不过是置于导电带或其它壳体内的压敏电阻，并没有测试配制避雷装置，也没有测试在暂态过压期间的火险情况，这样就导致了在美国办公室和住宅中经常发生120V/240V电器系统上中线的切断现象。 由于缺乏良好的工程设计和测试过程，1998年至1999年之前在美国市场上至少有10万分之一的浪涌抑制器具有危险性。以我个人观点来看，在1998年至1999年之前出售的浪涌抑制器都有设计上的缺陷，最常见的设计缺陷有如下两点：1. 使用MCOV额定值为130V的压敏电阻。2. 当压敏电阻配制于塑料壳体内时无热中断器。如前文所述，通用电器公司于20世纪70年代，在浪涌抑制器的设计上就已经采取了合适的对策。而且如下所述，在1989年至1992年的国际工程研讨会上，发布的存档论文中已经指出MCOV的额定值太低以及缺少热中断装置。而且因为消费者的投诉以及他们向厂家和进口商提出的索赔，所以一些浪涌抑制器的厂家和进口商已经深刻意识到他们产品中的火灾危险性。但是一些厂家继续销售设计上有缺陷的产品，而且这些厂家也拒绝作出任何努力去通过AMSI/IEEE工程标准的安全测试。10因为我在浪涌保护装置方面的科研经验以及我所受的正规教育，我与代理人的协商都建立在合法的程序之上，以及在有关的浪涌保护装置（避雷装置和抑制器）方面的诉讼，起草透露要求，鉴定透露内容，提供科学证据，起草诉讼等方面也是如此。我对帮助代表受害者利益的代理律师很感兴趣。他们代理的受害者都是遭受过浪涌避雷装置和浪涌抑制器之火灾或爆炸破坏的家庭或商人。备注的参考书目David Birrell 和Ronald B. Standler,“在低电源电压上失灵的浪涌避雷装置”，在电源上IEEE的相互作用，目录8，156-162页，1993年1月。20世纪80年代末，通用电器公司开始意识到他们生产的一小部份（低于0.02）浪涌避雷装置发生爆炸情况，这篇论文是关于存档的工程文献，其中涉及到在120V电源系统上使用的浪涌保护装置发生火灾或爆炸现象。Dr. Peter Hasse 针对于Birrell/Standler 的论文编写了一部评论，其中他谈到自20世纪50年代由德国Dehn+Shne生产的浪涌避雷装置就已经具有一个内置的热中断器。K. Eda,“由于高电流而导致氧化锌压敏电阻结构的破坏”，Journal of Applied Physics,目录56，2948-2955页，1984年11月。有关压敏电阻故障结构的评论。Francois D. Martzloff和 Thomas F. Leedy,“选择压敏电阻钳位电压：较低值的不是较好的！”第八次国际Zrich 电磁兼容专题研讨会，137-142页，1989年3月。第一本出版的有关对于压敏电阻应尽可能选择最低的MCOV值。Marzloff 和Leedy 在他们的论文中没有大量的建议，并且也没有涉及到火灾问题。Viktor Scuka, “控制在低电压安装上的EMI”，第七次国际Zrich有关EMC的专题研讨会，79M4页，1987年3月。这是存档工程文献出版的第一篇作品，其中涉及到浪涌避雷装置应具有一个低于下区浪涌抑制器的电压保护等级。Steve B. Smith和 Ronald B. Standler,“在电器上浪涌之影响”，在电源上的IEEE相互作用，目录7，1275-1281页，1992年7月。此篇论文涉及到存档工程文献，其中讨论了在测试过程中未受保护的电器设备于浪涌过程中的耐压性能