MOV参数对SPD安全性的影响.doc

MOV特性参数对电源SPD安全性的影响The influence of Metal Oxide Varistors parameter to the Surge Protective Device security in power supply陈泽同关键词：SPD、MOV、安全性、大电流冲击寿命、TOV试验摘 要：本文用大量试验，分析了MOV基片影响限压型SPD安全性的几项关键参数。介绍了具体指标的要求。对SPD和MOV制造商提出了明确的安全要求。尽管这些要求目前只有极个别厂商能达到(其综合指标己不亚于世界先进水平)，至少我们看到了制造高可靠、高安全的SPD已成为现实。Abstract: this article analysis several parameters in the influence of the MOV to the limited voltage SPD security. It introduces the requirements of concrete index, and gives a clear security demands to the MOV and SPD producers. Although only a few producers can fulfill these requirements (their synthetical index is on better than the best of the world), at least we can see the fact that highly trustiness and safety SPD can be produced. 引言：在低压配电系统的防雷中，由于限压型SPD(Surge Protective Device简称SPD)具有通流容量大，响应时间快，无续流、任意组合等优良特点，在众多的防雷组件中制造量最大，应用面最广。由于SPD是防护各类建筑、设备、网线免遭雷电及电磁幅射的安全防护产品，所以它自身的可靠性、安全性应比被保防对象更重要。如何制造高可靠、高安全的限压型SPD呢？除了结构、材料、工艺外，其中MOV的选择至关重要，它的优劣直接决定了SPD的品质。MOV的英文为Metal Oxide Varistors，译为金属氧化物压敏电阻器，简称压敏电阻。它的常规参数有：压敏电压（V1mA）、泄漏电流（IR）、小电流非线性系数（通常以电压比描述V1mA/V0.1mA）。非常规参数有：8/20us大电流冲击（分为额定通流和极限通流）、大电流冲击寿命、限制电压、2ms方波能量耐受、高低温度特性、TOV(伏秒)特性等等。一、常规参数：随着SPD制造商的成熟，对常规参数的追求已不象前几年那样苛求了，但仍有少数在追求小电流和小的泄漏电流。下面以3434/621的方片为例，谈谈笔者的看法。我们认为：在常规参数中，最主要是合理的压敏电压(V1mA)和泄漏电流(Ir)的稳定性。在SPD行业里V1mA值住往与最大持继工作电压Uc联系在一起。压敏电压(V1mA)值与最大持续工作电压的关系见下式：V1mA=1.642Uc下表推荐的是常用电源SPD的压敏电压。最高持续工作电压Uc420385320275230180150110压敏电压V1mA(V)680750620680510560470510390430300330240270180220表中数据说明对不同电源规格，所取的V1mA电压值是标准规格的10%，而不是压敏电阻制造的10%。这是分析了大量的国外产品和大量的试验证明的。 而泄漏电流(Ir)笔者则进行了上百次的试验，证明了Ir在静态时若允许在2030uA范围，则经过大电流冲击试验后，其变化率可以做到小于150%。当Ir小于45uA时，经过大电流冲击试验，很难保证变化率不超过200%。 二、非常规参数： 1、TOV参数： 在SPD中往往是MOV的非常规参数决定着它的质量与可靠性。GB18802、IEC16143、YD1235、QX10.1-2002等标准对SPD的热稳定性作了严格的要求。规定SPD的TOV试验在流过2、5、10、20、40、80、160、320、1000、2500、5000mA十一个工频电流等级时，要达到热平衡或者是热脱离器脫离。这些标准考核的是MOV基片的热容量指标，也就是在上述电流等级中，基片和它所产生的热量能否使热脱扣机构动作，而不至于引起电源短路或跳闸。这是SPD安全性非常重要的一个指标 在2003年前除了个别欧洲厂商外，没有一个MOV生产商能满足上述技术要求的，大家都在追求低残压和大电流冲击。所以前几年SPD在使用中不断出现爆炸、起火等事故。除了当时材料、结构、选用欠合理外，MOV综合性能达不到是个致命的缺陷。下表是当时TOV试验的综合对比表，可看出在这个项目上国内与欧洲差距较大。厂商施加85%V1mA交流电压（有效值）回路电流有效值（A）Min-Max施加90%V1mA交流电压坚持时间回路电流有效值（A）Min-Max 施加95%V1mA交流电压坚持时间回路电流有效值（A）Min-Max国内29s（平均）0.08-0.446s（平均）0.38-1.16合闸便击穿1.5-3.36欧州35s0.1-0.157s0.4-0.62s1.15-1.5经过2004年MOV厂的努力，目前此项指标己有了极大改进。下表是几个代表性厂商近期的试验结果。(A为台资企业、B、D为大陆企业、C为欧洲企业)序号V1mA(V)施加电压 (V)V1mA/Ac 倍率(v)电流(A)脱焊时间(S)基片状况备 注A1666/6655320.85314没感觉5980.90.0525完好6651.00.275完好7311.10.663完好7981.21.141完好8641.31.671完好9311.42.241完好9971.52.581完好10641.6 合闸脱焊击穿同时发生.序号V1mA/Ir施加电压1X 600V下电流(A)1.1X 660V下电流(A)1.2X 720V下电流(A)1.3X 780V下电流(A)1.4X 820V下电流(A)B1602/400.171.10.61.20.81.30.91.4合闸击穿基片状态Ir偏大基片完好,安全脱焊基片完好,安全脱焊基片完好,安全脱焊基片完好,安全脱焊基片击穿设备跳闸焊锡未熔序号V1mA/Ir施加电压0.85X559V下电流(A)0.9X592V下电流(A)1X 658V下电流(A)1.1X 780V下电流(A)1.2X 820V下电流(A)C658/180.050.110.40.60.50.90.71.1合闸击穿基片状态Ir偏大基片完好,安全脱焊基片完好,安全脱焊基片完好,安全脱焊基片完好,安全脱焊基片击穿焊锡延时2s脱落序号V1mA/Ir施加压敏电压 0.9X电压下电流(A)0.95X电压下电流(A)1X电压下电流(A)1.134X电压下电流(A)1.2X电压下电流(A)D4651/4.20.61.22.33.3合闸击穿基片状态基片完好,安全脱焊基片完好,安全脱焊基片完好,安全脱焊基片完好,安全脱焊基片击穿焊锡延时2s脱落D5596/2.30.81.72.8.3.6合闸击穿基片完好,安全脱焊基片完好,安全脱焊基片完好,安全脱焊基片完好,安全脱焊合闸击穿上述数据中A表现最好，B、C、D相差不大。但同倍数电压下，电流区别较大，这是不同配方所致，笔者认为：A类片好在随电压上升，电流也上升，但其间的跳跃性不是太大。凡跳跃性太大的基片，大电流TOV试验很难通过。为了进一步证实MOV热稳定性，取七片A类片制作成SPD，直接做2安培TOV等级试验，结果见下表：编号压敏电压(V)工频电流(A)施加电压(V)告警状置备 注16172.25790脱扣20S击穿39S脱扣、击穿电流10A26232.06760脱扣18S击穿、脱扣、 击穿电流10A36102.05780脱扣20S击穿29S脱扣、击穿电流10A46211.96760脱扣20S击穿、脱扣、 击穿电流10A56191.96760脱扣19S击穿、脱扣、 击穿电流10A66201.86750脱扣22S击穿27S脱扣、击穿电流10A76082.29780脱扣19S击穿、脱扣、 击穿电流10A注：回路串联限流电阻，阻值为60上述结果证明：A类片热容量指标完全达到标准要求，剩下的是SPD如何在工艺上、结构上保证使其更易脱扣。2、大电流冲击寿命曲线：在上述标准中还对SPD的通流能力作出了严格规定 (见GB18802、QX10.12002级级的预处理试验)在试验前分别用0.1、0.2、0.5、1、2In的正负各一次脉冲电流測得试品的限制电压，然后在试品上施加最大持续工作电压Uc，再施加额定通流脉冲In15次，每5次为一组，组与组之间间隔为2530min，次与次之间间隔为5060s，冷却后，还要施加0.1、0.2、0.5、1、2In正负各一次的脉冲电流来測试限制电压的变化。总冲击次数：In为19次，2In为4次。作为SPD生产商来说希望满足各种标准外，寿命曲线越平缓越好。这里有二重意义，一是在使用中遇到异常情况，它只会形成高阻击穿，有利于SPD安全退出，不易酿成事故。是表示有较长的寿命。 下图是不同厂商产品的冲击寿命曲线图。从上表可看出，不同厂商的产品其寿命也不一样。好的产品不是单一指标高而是综合水平优秀，笔者用A、B同批基片作了寿命曲线试验，结果见下表。試验目的：寿命摸底 試验方案：In20KA/10次一组电流轮流冲击，间隔2min次 组/组间隔5min序号组号V1mA(V)Ir(uA)20KA/10次一组Un(V)A21630/6331.2/1.1651/6451660/16402653/6583664/6624666/6725672/6736672/6767672/6738666/6679664/66810648/64811645/65412601/59613581/59314第8次边缘击穿闪络序号组号V1mA(V)Ir(uA)20KA/10次一组Un(V)B21664/66221/20.5666/66316402658/6633648/65116404478/4735第3次边缘击穿闪络上面数据说明A类片冲击寿命也很不错，在In为20KA连续冲击情况下，能承受138次。而B类片仅能承受近40次(这与欧洲基片水平相差不大)。而且寿命曲线变化相当平缓，即使在电压下降区域，能有这样的表现已是比较满意了。在几百次的试验中，笔者发现个规律：在寿命试验中， Imax40KA的一次冲击寿命等于In20KA的20次左右寿命。按此推算要满足上述标准中试验次数，In20KA需要有100次左右的通流裕度，或者Imax40KA需有5次的裕度。3、MOV材料的温度特性：上述指标满足后，还需要注重MOV本体材料的温度特性。在401800C范围内，应是零或是正温度系数。因这一段是正常工作和出故障时退出的温度范围。没有正温度系数的特性很难保证不形成低阻击穿。这方面欧洲基片和上表的A类片都还不错。以上仅以3434/621基片为例。近年来出现了不少用小片并联制作的SPD，其中小片的技术要求、使用原理应与上述相同。只有充分了解MOV基片参数后，才能制作出高可靠、高安全的SPD三、思考： 目前在SPD各种标准中，都是将大电流冲击与TOV试验作为个类别试验，分别用组样品。在现场使用中SPD要同时承受种试验模式的可能，这就是在线冲击模式。往往在做完大电流冲击后，样品并无损坏(因损坏将被判不合格)。此时是否可续继做T