上海市防雷中心 蔡振新
摘 要 最近有關(guān)低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器（SPD）第一部分：性能要求和試驗(yàn)方法，國家標(biāo)準(zhǔn)GB18802.1－2002已頒布，并且規(guī)定于2003年4月1日起執(zhí)行。圍繞著新規(guī)范的出臺，國內(nèi)一些專家，SPD的生產(chǎn)廠家，國內(nèi)外經(jīng)銷商紛紛發(fā)表文章，提出自己的看法，有的贊成，有的反對。以作者之見，最大的問題還是國內(nèi)目前還沒有一家實(shí)驗(yàn)室，能夠完全按GB18802.1－2002規(guī)范中式試驗(yàn)要求做一遍驗(yàn)標(biāo)的試驗(yàn)。由于本人正在受中國氣象局委托，在上�；I建國家級低壓避雷器測試中心，現(xiàn)將本人學(xué)習(xí)新規(guī)范及這二年對國外先進(jìn)國家SPD生產(chǎn)線考察的情況，結(jié)合GB18802.1－2002規(guī)范中幾項(xiàng)重要的測試提醒國內(nèi)SPD生產(chǎn)廠家應(yīng)注意的幾個(gè)問題。
關(guān)鍵詞 執(zhí)行、SPD生產(chǎn)廠、規(guī)范、注意幾個(gè)問題
1、前 言
國家標(biāo)準(zhǔn)GB18802.1－2002“低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器（SPD）第一部分：性能要求和試驗(yàn)方法”是完全等同采用IEC61643－1：1998 IDT國際標(biāo)準(zhǔn) ，因此對國內(nèi)各測試實(shí)驗(yàn)室，各生產(chǎn)廠家，經(jīng)銷商及防雷減災(zāi)的管理工作者都存在學(xué)習(xí)和消化的過程。
隨著我國進(jìn)入WTO，國外幾十個(gè)SPD生產(chǎn)廠商進(jìn)入我國市場，國內(nèi)也有一百多個(gè)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)SPD。由于過去測試標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，測試方法不一致，生產(chǎn)工藝的先進(jìn)和落后，因此目前市場上SPD良莠不齊，魚目混珠，嚴(yán)重影響防雷工程的質(zhì)量。新的國家標(biāo)準(zhǔn)采用了國際IEC先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)習(xí)、貫徹執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)是我們的當(dāng)務(wù)之急。現(xiàn)將本人學(xué)習(xí)的一點(diǎn)體會供同行參考。
2、提高氧化鋅（ZnO）閥片的加工工藝水平保證產(chǎn)品性能的一致性
新標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品的測試提出更嚴(yán)酷的條件，特別是實(shí)測限制電壓、動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)、熱脫鉤裝置等，均在加載（交流220V或380V）的情況下，反復(fù)測試畫出連續(xù)曲線，測得SPD的熱穩(wěn)定度、保護(hù)水平（Vp）等重要參數(shù)。因此特別是對SPD中的氧化鋅閥片（MOV）的晶格和晶界層的穩(wěn)定度，一致性要求比較高。ZnO壓敏電阻的平均壽命時(shí)間（Ml）是符合阿侖尼斯（Arrhenivs）反應(yīng)速率模型的，即平均壽命aMl（小時(shí)數(shù)）可表示成 Ml=eR/T·C
式中：R—常數(shù)，與材料和制造水平有關(guān)
C—常數(shù)，與加壓比有關(guān) Rap
T—絕對溫度 K
氧化鋅（ZnO）壓敏電阻是由大量壓敏單元串、并構(gòu)成的集合體。壓敏單元是一對互相直接接觸的ZnO晶粒及其間的一對肖脫基勢壘相當(dāng)于兩只背靠背連接的穩(wěn)壓二極管，因此壓敏電阻的宏觀性能是許多壓敏單元性能的統(tǒng)計(jì)表現(xiàn)。
ZnO壓敏電阻總勢壘電壓Un=n1×Vz=H/d0·Vz
式中 n1：壓敏電阻沿厚度方向有n1個(gè)壓敏單元串聯(lián)
Vz：每一壓敏單元的勢壘電壓
H：壓敏電阻的厚度
d0：壓敏單元晶粒立方體的邊長
ZnO壓敏電阻能承受的沖擊電流
Ip=n2×ip=S/d02·ip
式中： n2：在電極面積S下有n2個(gè)壓敏單元相并聯(lián)
ip：每一壓敏單元能承受的沖擊電流
S：ZnO壓敏單元的電極面積
由此可見，ZnO壓敏電阻性能優(yōu)劣與ZnO粉末的純度、晶粒的大小、添加劑的配方、燒結(jié)的溫度、老化水平、壓模技術(shù)等都有非常密切的關(guān)系。如果我們還是像過去一樣，僅僅測試幾個(gè)靜態(tài)參數(shù)，反映不了ZnO閥片的真實(shí)性能，因此新的國家標(biāo)準(zhǔn)提出了在更加嚴(yán)酷的條件下測試SPD的實(shí)測限制電壓，動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)及熱脫鉤裝置等重要參數(shù)。這對提高我國SPD生產(chǎn)質(zhì)量具有十分重要意義。國內(nèi)生產(chǎn)廠商因通過新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的這些測試，發(fā)現(xiàn)自己生產(chǎn)的產(chǎn)品與國外同類產(chǎn)品之間的不足之處，努力改進(jìn)生產(chǎn)工藝，盡快達(dá)到國際先進(jìn)水平，參與國內(nèi)外的市場競爭。
3、提高氧化鋅閥片的焊接技術(shù)
氧化鋅閥片嚴(yán)格意義上也是一種新型的半導(dǎo)體器件，它對溫度的敏感性非常強(qiáng)。美國、歐洲一些先進(jìn)國家SPD的生產(chǎn)線、ZnO閥片的上錫、焊接完全在真空、恒溫下進(jìn)行的，因此能很好得保證ZnO閥片內(nèi)部的晶格和晶界層免受破壞，從而保證ZnO閥片性能參數(shù)的一致性。壓敏電阻技術(shù)規(guī)范中規(guī)定了85℃施加最大持續(xù)交流電壓，試驗(yàn)1000h中沒有劣化現(xiàn)象。
圖⑵中曲線⑴表示，IR隨時(shí)間單調(diào)上升。一開始慢一點(diǎn)，當(dāng)試驗(yàn)到一定時(shí)間后上升速度明顯加快。這種壓敏電阻是不穩(wěn)定的。曲線⑵表示，在開始階段IR隨時(shí)間上升，越過一個(gè)最高點(diǎn)后便穩(wěn)定下降。曲線⑶表示，在1000h的全過程中IR隨試驗(yàn)時(shí)間t都是上升的。如圖⑶所示，在高溫下在試驗(yàn)大約20小時(shí)后，IR時(shí)間t按下式規(guī)律上升
IR=IR0＋Ktn
式中： IR0和K是兩個(gè)常數(shù)，n值大體在0.3－0.5之間。
目前國內(nèi)一些廠家用大烙鐵在大氣環(huán)境下進(jìn)行焊接，其缺點(diǎn)：
1 ZnO表面各點(diǎn)的溫度無法均勻控制。
2 大氣中含有對半導(dǎo)體器件有害的雜質(zhì)，從而引起各種邊緣效應(yīng)。
大氣中溫、濕度無法控制，導(dǎo)致ZnO閥片界面處的晶界層受潮，介電常數(shù)發(fā)生改變，會對系統(tǒng)造成較大漏電流。有的ZnO閥片兩面雖經(jīng)過涂環(huán)氧粉末樹脂，但通過不均勻加熱焊接后，涂層發(fā)生破壞，失去原涂層具有的電擊穿強(qiáng)度高，介質(zhì)損耗小，吸水率小，機(jī)械性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，造成產(chǎn)品可靠性和一致性的嚴(yán)重下降。
4、高熱脫鉤裝置技術(shù)安全性能
電源系統(tǒng)的過電壓（流）保護(hù)器（SPD）的內(nèi)部熱脫鉤裝置是一個(gè)非常重要的部分，它是ZnO閥片一旦劣化短路時(shí)避免爆炸起火的關(guān)鍵措施。目前國際上大致有兩種做法，一種是以美、英為主的多片氧化鋅串、并聯(lián)組成，每路采用熱熔絲保護(hù)方法。另一種是以歐洲德國、法國為主的單模塊或雙模塊并聯(lián)，采用機(jī)械熱脫鉤的保護(hù)方法。兩者比較各有利弊。熱熔絲保護(hù)模式結(jié)構(gòu)比較簡單，沒有復(fù)雜的機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，故障率低，并且有熱備份功能，這對南方連續(xù)雷擊時(shí)間在20－40分鐘地區(qū)具有特別重要的實(shí)際意義。筆者到廣東從化某單位考察，幾家公司為他們做了防雷工程，國內(nèi)外產(chǎn)品用了不少，但沒有一家幸免于難。究其原因，一固然是從化地區(qū)年平均雷暴日在80天以上，周圍丘陵地貌決定雷暴強(qiáng)度異常，再加上電源、信號線全部架空進(jìn)入機(jī)房，沒有經(jīng)過穿金屬管屏蔽。另一個(gè)主要原因是該地區(qū)連續(xù)雷擊時(shí)間特別長。據(jù)工作人員介紹，2002年7月，一次雷擊時(shí)間超過了45分鐘。實(shí)際上，如果第一次雷擊使單模塊SPD打壞后，由于無法（也不允許）及時(shí)更換，那么后續(xù)雷擊到來時(shí)，只有將設(shè)備打爛了。因此在這些地區(qū)安裝帶有熱備份功能的SPD特別適用。
但缺點(diǎn)是這種方式無法做成模塊化結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌式安裝，給替換帶來很大的不便。
采用機(jī)械聯(lián)動(dòng)熱脫鉤模式，優(yōu)點(diǎn)：因采用模數(shù)化設(shè)計(jì)，便于導(dǎo)軌安裝，容易替換。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，脫鉤裝置的熱容量與彈簧（或彈片）的配合不易掌握。
熱脫鉤裝置熱容量的計(jì)算符合焦耳定律
Q= R∫toi2d2式中：Q 發(fā)熱量 （J） R 雷電流通道電阻（Ω）
i雷電流（A） t 雷電留持續(xù)時(shí)間（s）
實(shí)際上，雷電流作用時(shí)間很短，散熱影響可以忽略，在電流通路上由電流引起的溫升（ΔT）為：ΔT=Q/Mc
式中：ΔT 溫升K
M 通過雷電流物體的質(zhì)量 kg
c 通過雷電流的物體的比熱容 J/kg·K
因此要求熱脫鉤焊點(diǎn)、寬度、厚度以及熔點(diǎn)非常一致，才能保證熱脫鉤裝置動(dòng)作的一致性，穩(wěn)定性。
另外，兩片－四片ZnO模塊并聯(lián)使用時(shí)還是采用一套熱脫鉤裝置。因此只要有一片ZnO短路，熱脫鉤裝置立即動(dòng)作，起不到熱備份作用。
新規(guī)范GB18802－2002對SPD熱脫鉤裝置的檢測分以下幾步：
1 在標(biāo)稱通流容量In及Iimp（或Ipeak）、Imax沖擊下，SPD的熱脫鉤裝置不應(yīng)動(dòng)作。
2 在環(huán)境溫度為80℃±5K的加熱箱中保持24h，SPD的內(nèi)部脫離器不應(yīng)動(dòng)作。
3 試品連接到工頻電源，電源電壓應(yīng)足夠高，使SPD有電流流過，電流從2MA、5MA……1000MA的有效值或相應(yīng)峰值，誤差±10％，試驗(yàn)時(shí)連續(xù)檢測SPD最高表面溫度點(diǎn)（僅對易觸及的SPD）和流過SPD的電流可以通過初始試驗(yàn)或進(jìn)行多點(diǎn)監(jiān)測以確定最高表面溫度點(diǎn)。
合格判斷標(biāo)準(zhǔn)為：
戶內(nèi)型SPD試驗(yàn)時(shí)表面溫度應(yīng)總低于120℃，在脫離器動(dòng)作后5Min，表面溫度應(yīng)低于80℃。
戶外型SPD應(yīng)沒有燃燒的痕跡或SPD的部件彈出的現(xiàn)象。
如果脫離器動(dòng)作，SPD應(yīng)有明顯、有效和永久斷開的跡象。
5、 結(jié) 論
執(zhí)行GB18802.1－2002低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器（SPD）標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)SPD生產(chǎn)廠家，應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：
1 國內(nèi)ZnO閥片生產(chǎn)廠家應(yīng)盡快改進(jìn)工藝，提高國內(nèi)ZnO閥片的質(zhì)量，從ZnO的純度、粒度、添加劑配方、壓模、燒結(jié)、老化等工藝入手，保證ZnO閥片電氣性能的高度一致性。
2 SPD生產(chǎn)廠家，應(yīng)提高ZnO閥片焊接水平，狠抓恒溫、恒濕、空氣凈化、真空灌注環(huán)氧樹脂等工藝水平的改進(jìn)，保證ZnO閥片在后續(xù)加工中，不破壞原有的電氣性能，能經(jīng)得起新規(guī)范規(guī)定的動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)，實(shí)測限制電壓及熱穩(wěn)定性等多項(xiàng)動(dòng)態(tài)測試的要求。
3 SPD生產(chǎn)廠家應(yīng)加強(qiáng)熱脫鉤裝置的研究，這是涉及到安全生產(chǎn)的大事。目前SPD安裝日益普及，因SPD短路起火的故障事故時(shí)有發(fā)生，SPD生產(chǎn)廠家應(yīng)引起高度重視。
參考文獻(xiàn)
1.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB18802.1－2002低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器（SPD）第1部分：性能要求和測試方法 烏盛鳴等編著
2.壓敏電阻器的應(yīng)用手冊（第一版） 張南法編著
3.雷電原理 南京氣象學(xué)院 梅衛(wèi)群等編著
