电涌保护器的限制电压测试毕业论文.doc

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1、电涌保护器的限制电压测试摘要 为保证电涌保护器(SPD)的安全运行，必须对电涌保护器的限制电压(电压保护水平Up)进行预防试验、带电检测。根据MOV的性能和SPD的现状测量其限制电压，说明检测方法并分析检测结果。关键词 电涌保护器 MOV 限制电压 检测一、前言随着建筑防雷要求的日益提高，电涌保护器（SPD）在建筑上的应用越来越广泛，已逐渐成为低压电器的一个重要组成部分，由于限压型SPD具有通流容量大，响应时间快，无续流等优点，在众多的防雷组件中制造量大，应用面广，然而随着高敏感电子装置的使用与日俱增，开发新型低压电涌保护器的呼声日益高涨，因而对新型低压电涌保护器的限制电压的要求也愈加重要。二

2、、限压型SPD中MOV的性能 如何制造优良的SPD？这其中MOV的选择非常重要，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，常用的是氧化锌压敏电阻，它是一种电阻值对外电压敏感的元件，其主要功能是辨别和限制瞬态过电压，它的电流电压特性是非线性的，并能在两个极性上相等地限制电压，压敏电阻能用于交流和直流场合，电压从几V几kV、电流从几mA几十kA，且具有体积小、响应快、功耗小、保护效果好的特性。 氧化锌压敏电阻的UI特性曲线分为小电流区、中电流区及大电流区在三个区域内显示出不同的特性。小电流线性区决定了施加稳态外

3、电压时的功率损耗，因而就决定了工作电压；中电流非线性区决定了当施加一瞬变过电压时的限制电压；大电流区是大电流浪涌吸收的极限依据。氧化锌压敏电阻的有关主要参数： （1）压敏电压 在一定的几何形状下，电流在1mA附近时氧化锌压敏电阻的非线性系数值可达到最大值，往往取1mA电流时所对应的电压，作为I随U陡峭上升的电压大小的标志，把此电压(U1mA)称为压敏电压。 选取压敏电压的依据是工作电压，压敏电压与工作电压的关系可经验地定为：U1mA=UDC/（1-b）(1-c)或 U1mA=UAC/（1-b）(1-c)式中 UDC直流工作电压 UAC交流工作电压(有效值) U1mA压敏电压工作电压波动系数，可

4、取1.2 b压敏电阻长期工作允许下降的极限值，取0.1c压敏电阻在U1mA产生偏差的下限值，取0.15将以上各系数代入上式，得 U1mA =1.5 UDC =2.2 UAC （2）残压 是指压敏电阻流过冲击电流时两端出现的冲击电压，残值由被保护装置的耐压决定，当流过最大浪涌电流时，应使其残压低于装置耐压。（3）通流容量 压敏电阻经过长期交、直流负荷或浪涌电流的冲击，IU特性变坏，使预击穿区的IU特性曲线向大电流区方向移动，因而漏电流上升，压敏电压下降，这种现象称为压敏电阻的蜕变。此蜕变对许多应用来讲影响很大，因此必须对经浪涌冲击后压敏电压U1mA的下降有所限制，并且以下降的多少来衡量压敏电阻耐

5、浪涌冲击的能力。 把满足U1mA下降要求的压敏电阻器所能承受的最大冲击电流(按规定波形)叫做压敏电阻的通流容量。在选用时，应使浪涌电流峰值压敏电阻通流容量，一般过压保护选35kA，防雷保护选520kA。（4）漏电流 在压敏电阻器两端施加075倍的压敏电压时流过压敏电阻的电流，即在线路、设备正常工作时所流过压敏电阻的电流称为漏电流。它是指在U1mA以下的IU特性曲线部分，漏电流的大小与电压、温度有关，电压、温度升高都会使漏电流加大。要使压敏电阻可靠地工作，漏电流必须尽可能地小，这一方面与材料成分和制造工艺有关，也与正确选用压敏电阻有关。在保证可靠工作的前提下，可适当地规定漏电流的上限，一般漏电流

6、可控制在50100A，漏电流高于100A的产品，工作可靠性差。此外还必须考虑到U1mA与温度的关系，当温度上升时U1mA下降。由于金属氧化物避雷器（MOV）是一门边缘学科，它涉及半导体、电介质物理、电源、绝缘等技术，因此整个MOV的生产过程必须有严格的科学质量管理体系做保证必须采用先进的技术和生产、检测设备。三、电涌保护器的现状与测试方法1、国外产品水平与特点（1）电涌保护器的基本产品采用模数化轨道安装，能与各种终端电器协调安装。（2）产品符合IEC最新标准。（3）品种规格齐全，可适应各种不同场所；指标先进，冲击通流容量可达100kA（10/350s）。（4）结构工艺适合大量生产。（5）价格贵

7、。 2、国内低压避雷器的现状与问题（1） 避雷器开发、研究和设计使用中，长期存在“重高轻低”的情况，生产单位认为低压避雷器产值太低，也不重视。 这是低压避雷技术大大落后国际水平的原因之一。（2）产品单一、指标低下、品种不全，缺少户内避雷电器标准。3、 脉冲高电压与脉冲大电流的试验施加方式（1） 引线连接 对于一个含多根引线保护装置的试验来说，如果不加选择地在其中每一对引线间加一次脉冲电压或注入脉冲电流，则整个试验过程将会耗费很长时间。为了简化试验过程，节省试验时间，常常是有选择地将脉冲电压或电流通过共模和差模两种引线连接形式施加于被试保护装置上。为说明这两种引线连接方式，现考察一个含四根引线保

8、护装置的脉冲电压试验线路，如图1所示，各引线分别标以A、B、C、和G（地线）。在共模连接引线形式下，现将A、B、C三根引线并联，再将脉冲电压加于并联引线节点和地线G之间；在差模引线连接形式下，脉冲电压分别加于AB、BC和AC等三对引线间。再考察一个含三根引线保护装置（单向交流电源保护装置）的脉冲电流试验接线，如下页图2所示，其三根引线分别标以L（火线）、N（中线）和G（地线）。在共模引线连接形式下，也是先将L与N并联，脉冲电流加于L和N之间。 (2) 耦合方式对于不带电的保护装置进行脉冲冲击试验时，可将脉冲电压或电流按共模和差模两种引线连接形式直接加于保护装置上，如图3所示。实际上，保护装置一

9、般都是安装在正常运行的系统中（接在电源线或信号线上），都是工作在系统运行电压下，为了模拟这种实际工作情况，在做脉冲冲击试验时，需要实现采用电源或信号源向被试保护装置供电，再将脉冲电压通过一定的耦合方式施加到带电试验系统中。向带电试验系统施加耦合脉冲电压的方式有两种：一种是串联，另一种是并联，现分别加以讨论。1) 串联耦合简单的串联耦合如图4所示，脉冲电压的串联耦合是采用一台变压器来实施的，该变压器的原边绕组串于被试保护装置的一根引线上，副边绕组接脉冲电压发生器，将脉冲电压通过发生器耦合到实验系统的正常运行电压上。采用这种变压器串联耦合方式有一些较为明显的缺点，如果采用空芯变压器，其副边虽有较短

10、的上升时延，但这种变压器不能传递较大的能量；如果采用铁芯变压器，它虽能传递较大的能量，但由于其铁心会发生饱和，使变压器在低频下的电压传递特性变坏，这对于耦合持续时间长的脉冲电压来说是十分不利的。欲改善其低频特性，就会增大其漏感，这将使副边电压的上升时延增大。另外，由于这种串联耦合只能对一根引线施加脉冲电压，它不能以差模的形式在引线之间施加脉冲电压。在采用这种串联耦合施加共模脉冲电压时，需要将变压器与地线耦合，这实际上会危及到变压器的安全。由于变压器串联耦合方式存在着这些缺点，其实用性差，一般不常使用。2) 并联耦合相对于串联耦合来说，并联耦合是一种较为实用的方式，并联耦合差模脉冲电压的简单接线

11、如图5（a）所示，并联耦合共模脉冲电压的接线见图5（b）。在并联耦合方式中，所使用的电容应具有足够大的通流容量，其值至少应大于脉冲电压发生器的短路电流幅值。在共模耦合时，电容器的耐压水平至少应取为脉冲电压发生器开路电压的两倍，这里的两倍值主要是考虑到脉冲电压波形可能会出现振荡。电容器的电容值应选得足够大，以便在脉冲暂态临近结束时（此时频率相对较低），电容器上的压降仍然很小，可以略计，在并联耦合持续时间长的长尾脉冲电压时，电容值尤其要选得大一些。在图4和5中，介于电源和信号源与脉冲电压耦合点之间设置了一个滤波器，该滤波器常称为后置滤波器，在这里设置后置滤波器的目的有两个：一是保护电源和信号源在脉

12、冲冲击试验时不会被损坏；二是提供高阻抗以迫使绝大部分脉冲电流进入被试保护装置。 后置滤波器对共模和差模脉冲电压都会产生抑制作用，滤波器中的串联电感L的典型值在100300H范围，它应采用单层结构，并要采用耐高压的绝缘材料。线间电容C3的典型值约为几个F，线对地电容C1和C2的典型值约为几个F。为进一步对共模脉冲电压进行滤波衰减，在电感与电容之间再增加一个共模扼流圈。此外，在脉冲冲击试验中，为了使电源或信号源得到可靠保护，还可以在三个电容C1、C2和C3上各并上一个压敏电阻，通过这些并联压敏电阻来加强共模和差模脉冲电压的箝位限压作用。如果压敏电阻的接入对脉冲电压有影响，可以增大压敏电阻的参考电压

13、（U1mA）或增大电感值，但如果增大参考电压，其值不能超过两倍的系统正常运行电压，否则这些压敏电阻对电源或信号源将无明显保护效果。后置滤波器和电源或信号源的存在将会使脉冲电压发生器发出的脉冲电压的波形发生变化，在调试电压发生器发出的电压波形时，应将这两者作为电压发生器回路的一部分来考虑。（3）检验判据考察被试保护装置是否通过试验的检验，需要有一定的检验判据，对于脉冲冲击试验来说，相关的判据主要可归纳为以下几点：1) 在脉冲冲击试验中，被试保护装置输出端的暂态电压幅值应低于一个给定的可接受值，该值由相应于被保护电子设备的耐压水平而定。2) 当被试保护装置受脉冲电压作用动作后，其输出端输出的剩余能

14、量应低于一定的可接受值，该值应视被保护电子设备的耐受容量而定。3) 经过规定的脉冲冲击试验后，被试保护装置中各元件必须完好无损，性能不变。4) 在脉冲冲击试验后，被试保护装置中保护元件上的泄漏电流变化不能超过规定的范围，检测泄漏电流变化是为了考察保护元件的老化程度。四、8/20s波形大电流冲击特性 参加测试基片的限制电压（20kA，8/20s时）水平一般都在1.51.6kV左右（仅指34X34/621规格）。电压梯度高一些的，残压稍低点，反而则高一点。 在试验中有些基片在冲击后压敏电压呈上升现象，有些呈下降现象。究竟是哪种在使用中更为合理呢？这两种试验图见图6和图7。从二图可看出,图6是冲击后

15、电压上升，在正常寿命曲线内表现良好，一旦过了这个区域，压敏电压的 下降速度非常快，晶界层形成雪崩式的崩溃，这种曲线称之为钢性曲线，在使用中易产生工频大流电击穿。如果制造工艺中又有某些考虑不周的地方，则易产生爆炸，起火等事故。参加试验的基片大部是这种曲线。图7是冲击后电压下降的曲线。在正常寿命曲线内压敏电压稍有下降，且随着冲击次数的增加而缓慢下降，这样的曲线称之为柔性曲线，在使用中工频小电流会导致基片发热，从而使SPD热脱扣机构在MOV击穿前动作，减少爆炸、起火等事故。因此我们认为柔性曲线的产品比钢性曲线产品更安全，更可靠，然而目前真正符合柔性曲线的产品却很难寻找。同时我们认为MOV在使用中的好

16、坏不能以压敏电压下降10%作为判断标准，因为SPD现场运行是依靠能否安全脱扣来判定MOV的好坏，所以我们希望柔性曲线继续往下延伸，使它不能因承受工频电压小电流而发热，这样的基片做出的SPD才是比较理想的。 许多试品基片在大电流冲击试验时分散性较大，好的在额定通流（20kA，8/20s）下可冲击几十次，而差的只可承受三、四次，其额定通流寿命曲线如图8所示。 如果在此基础上再增加极限通流（40kA，8/20s）二次，则合格的所剩无几。这证明试验样品的电流密度（mm/A）很不均匀，且偏小（甚至同一厂家产品寿命都不同）。欧洲有关企业标准为：额定通流正、反各10次，再加正、反各一次的极限通流。而国内基片

17、企业执行的是额定通流两次，极限通流一次的国标，显然这样的标准是不能适应防雷事业的发展。关于漏电流。静态时漏电流仅仅是个参考值，对它而言，我们更关心的是冲击以后的变化率和高温负荷下的变化率。有的产品起始漏电流并不大，近34A，但冲击后却有几十倍左右的变化率，达到40、50A，而好的产品冲击后变化率仅增加一倍左右，尽管它的起始值可能比较大（最大约在20A左右），最终结果两者差别不大，而稳定性却是后者好得多，同时在MOV制造过程中有一道退火工艺，此工艺对产品的稳定性，冲击特性都有很大改善。基片通过这道工艺后仅是漏电流增大，小电流特性变差。在上世纪80年代之前，人们为了测试设备绝缘耐压，采用冲击电压发

18、生器产生1.2/50s电压波来检测设备耐压。后来，在被测设备两端测得1.2/50s开路电压波形的同时，发现在测试线路中发生的闭路电流波形为8/20s波形。于是也是采用8/20s波形测试碳化硅或MOV器件的通流能力。现在人们将开路时为1.2/50s的冲击电压波形，短路时为8/20s的冲击电流波形的波形称为复合波。在进行防雷分析和保护装置实验时，常需要估算在给定波形的雷电流或雷电过电压作用下，由它们向负载设备所传送的能量，以考察负载设备的耐受性。另外，对于保护装置设计和雷电暂态响应计算来说，常需要对雷电流或雷电过电压波形进行频谱分析，以估计波形中各次频率谐波分量的分布。(1) 能量估算雷电流或雷电

19、过电压向负载设备传送能量可分为两种典型情况，第一种是向负载电阻传送能量，第二种是向恒压负载传送能量。前者可表示电子设备，后者可表示保护元件（如压敏电阻和雪崩二极管等）。鉴于本论文，我们只考虑第二种情况，如图9所示，作为恒压负载的保护元件在动作之前可近似为是开路，见图9（a），而在动作之后， 其两端的残压可近似为是恒定值UL，见图9（b）。动作后的恒压负载从过电压源吸收的能量可表示为：上式中P(t)为恒压负载吸收的瞬时功率，其表达式为： 由雷电流源向恒压负载传递的能量可表示为：将公式 代入上式，有恒压负载从几种常用雷电流和雷电过电压源吸收的能量见下表，这里取=500V。波形幅值R0()W(J)1

20、.2/50s1kV10188/20s0.5kV448/20s3kV26(2) 频谱分析对于雷电流和雷电过电压波形的时域表达式进行傅里叶变换，可以获得它的频谱函数。设雷电流或雷电过电压波形的时域表达式为g(t)，运用傅里叶变换，其频谱函数可表示为：由于t0时g(t)=0,上式积分又可简化为：按上式对前面所介绍的几种常用雷电流和雷电过电压波形进行变换，可得自相应的频谱函数。对于8/20s电流波形，其频谱函数为：对于1.2/50s过电压波形，其频谱函数为：在频谱函数表达式中代入各常数的值，并取各频谱函数模的分贝数（dB）做波特图，就可得频谱特性图。在雷电暂态过程的分析与计算以及抑制雷电暂态的滤波设计

21、中，这种频谱特性是十分有用的。五、实验步骤及简单说明用复合波测量限制电压的试验程序 试验步骤：（1）复合波应施加在通电的SPD上，其电源电压为UC。（2）对规定仅用于交流电源系统的SPD，在正弦电压的9010相位处施加正极性冲击，在27010相位处施加负极性冲击。（3）对规定用于直流系统的SPD，施加正负极性的冲击。SPD应施加UC的直流电压。（4）每次冲击的间隔时间应足以使试品冷却到环境温度。（5）设定复合波发生器的电压，是输出的开路电压为制造厂对SPD规定UC的0.1、0.2、0.5和1.0倍。（6）用上述这些发生器的整定值，每种幅值对SPD施加4次冲击，正负极性各2次。（7）每次冲击时，

22、应用示波器记录从发生器流入SPD的电流和在SPD输出端口的电压。（8）限制电压是在整个试验程序中记录的最大峰值电压。简单说明：IEC61643-1对SPD限制电压的测量方法作了这样的规定：若测试信号为8/20s电流波，则要求在标称放电电流In的0.1、0.2、0.5、1.0和2.0倍下测出残压值，且正反向都必须测量，然后做出残压-电流峰流值的拟合曲线，取曲线上的最高点作为SPD的限制电压值。若测试信号为复合波，则要求在开路电压UOC 0.1、0.2、0.5和1.0倍下测出残压值，且正反向都必须测量，以测得残压值中的最高值作为SPD的限制电压值。这意味着SPD的最高残压值不一定发生在最大冲击电流

23、下的时候。当SPD中有电抗组件（例如LC低通滤波器）的时候，可观测到小冲击电流下的残压高于大冲击电流下的残压的情况，证明了IEC61643-1的这种规定的合理性。若已经确切地知道了SPD中没有电抗，而仅由限压型或开关型非线性元件，以及两端口SPD中的隔离元件不是电感而是电阻的话，则因为这类SPD的最高残压总是发生在冲击电流峰值大的时候，因此，只要在最大电流峰值下测定即可。其试验流程图如下：开始被测SPD是否规定用于交流电源系统 NO YES 对SPD施加0.1、0.2、0.5和1.0倍UoC并且在正弦电压的9010相位处施加正极性冲击 对SPD施加0.1、0.2、0.5和1.0倍UC的正负极性

24、冲击 YES对SPD施加0.1、0.2、0.5和1.0倍UoC并且在正弦电压的27010相位处施加负极性冲击用示波器的记录流入SPD的电流和在SPD输出端口的电压选取试验程序中记录的最大峰值电压试验结束六、实验过程及数据分析由于本次试验所用的被测试品为交流电源下的SPD，所以在正弦电压的9010相位处施加正极性冲击，这里取80和90，在27010相位处施加负极性冲击，这里取270和280；制造厂规定的UOC为20kV，故使试验设备输出的开路电压分别为2kV（由于实验设备最低施加电压为2.7kV，故此试验取2.7kV）、4kV、10kV和20kV，并且要注意在每次冲击后应间歇一段时间，以使试品冷

25、却到环境温度，这里取10min,同时用示波器记录当次波形。试验数据记录见下表：正极性冲击负极性冲击8090270280残压（kV）通流（kA）残压（kV）通流（kA）残压（kV）通流（kA）残压（kV）通流（kA）2.7kV0.970.850.980.92-0.95-0.92-0.95-0.864kV1.031.481.051.53-1.01-1.54-1.00-1.5010kV1.284.481.284.58-1.28-4.52-1.28-4.4620kV1.669.441.669.64-1.62-9.56-1.58-9.44试验波形见附图。 试验结论：1)在抽检试品L-PE线间，施加雷电冲

26、击电压2.7kV、4kV、10kV、20kV各两次，检测试品最大限制电压UP=1.66kV，符合要求。2)在抽检试品L-PE线间，在同样的冲击条件下，试品的通流容量趋于稳定，符合要求。3）确定试品保护水平：UP2kV，符合要求。七、结束语 由于限压型SPD在建筑防雷中的应用越来越广，对其限制电压的要求也显得日益重要，本论文根据IEC61643-1进行了对交流SPD的测试，其残压值必须小于规定的限制电压值，通流容量在相同的测试条件下趋于稳定状态，各芯片在测试后应完好无损，性能不变。参考文献：雷电波形与测试波形 徐春明限压型SPD中MOV选用的探讨 陈泽同建筑物内电子设备的防雷保护 张小青低压电源避雷器的应用 王智明 邵锦江 顾育仁GB18802.1-2002/IEC61643-1:1998 低压配电系统的电涌保护器（SPD）第 1部分：性能要求和试验方法 - 13 -