过电压保护器四个常见技术问题探讨
摘要:过电压保护器(SPD)是抑制由雷电、电气系统操作或静电等所产生的冲击电压,保护电子信息技术产品必不可少的器件。本文就过电压保护器在使用中的几个常见的技术问题进行分析探讨。
1.SPD 并联技术中脱离器的设计
大容量 SPDⅡ级产品 Imax 要求达到 100/160kA,当前解决办法有采用大阀片或小阀片多片并联。前者属非标产品,而后者可设计为模数化结构的标准产品,便于与其他模数化产品协调配合。SPD 的多片并联的基础是阀片性能的一致性,在外国阀片采用真空机械操作无人化生产,产品性能一致,使并联回路均流良好;在国内,阀片采用人工压制和测试性能进行选配来组成。当前,在 SPD 并联技术中脱离器的构成有二种,一种是每一阀片电路均有一脱离器,可指示该电路阀片是否劣化,德国 ABB 公司、Hager 公司和法国 Citel等公司均采用这种方式。另一种是多(二至四片)阀片并联后合用一脱离器,国内产品采用这种方式的比较多。多片并联合用一脱离器的方式能否保证产品性能达到 GB18802.1 中 7.7 条的要求,即热稳定试验、动作负载耐即热稳定试验、动作负载耐受试验、短路电流耐受能力试验、暂态过电电压故障试 验、待机功耗和残流试验、TOV特性试验等?这一问题值得思考,先分析如下:
脱离器由二部分组成,温度热溶断器和短路断路器,考核温度热溶断器性能是通过热稳定试验,合格判别标准:试验时SPD表面温度应始终低于1200℃,在脱离器动作后5 分钟,表面温度应低于800℃(表面温度指其出线端处)。
如每一MOV阀片电路均有一脱离器,脱离器动作时阀片的热量θ由(1)式决定:(参考文献)
K为散热系数,Q1为单一阀片脱离器动作时所需要的热量,C1为一片的热容量,S1位一片的散热面如四片MOV阀片并联采用一个脱离器时,脱离器动作时阀片的热量θ由(2)式决定:(参考文献)
Q4为四片并联时脱离器动作所需要的热量。
在相同的阀片温度下,Q4=16Q1 上式显示 θ =120℃时,二种情况是不一样,相差很大。
假设一片已劣化,单独有脱离器时它会动作显示。四片MOV阀片并联时,由于热传递四片MOV阀片中已劣化一片,将热传递给其余三片,它需要更大的热量才能动作,意味着更 大的漏电流,这可能造成上级动作,扩大事故;另外,四片MOV阀片劣化一片而不及时显示,使设备处于不安全的情况下运行。IEC60364.5.534对SPD并联电路推荐如下方案,每一SPD均由一脱离器可提高供电可靠性。同理,每一阀片电路有一脱离器,可靠性更高,也有利于全系列形成统一的标准模块和组织生产。而四片阀片用一个脱离器性能不如一片一个脱离器,但零件数量少。
二、SPD的后备保护
后备保护有熔断器、断路和漏电断路器三种。熔断器作后备保护是一种最常用的方案,按 In 或 Imax 来配置,其结果是完全不同的。当大电流冲击时,由于驱肤效应使得熔断体的电阻相对增大,易提前熔断;它的电阻产生的附加电压降值将达数百伏。国内某公司使用手册中推荐的熔断器规格如下:
第一级 SPD 为开关型 15kA,10/350,熔断器为 63A;
第二级 SPD 为限压型 40kA,8/20,熔断器为 32A;
第三级 SPD 为限压型 10kA,8/20,熔断器为 16A。
SPD 的 In=20kA,In=40 kA,串联 RT14-63(熔体 40 A),在 19.8 kA 大电流冲击时的
波形图,试后熔体断开。测得的限制电压为 2674V。不串为 1900V。断路器作后备保护,因断路器内有双金属热元件和电磁脱扣器,我们对热源件电阻对限制电压的影响和电磁脱扣器的出动时间是毫秒级还是微秒级进行了试验,结果如下:SPD 的 In=20 kA,Imax=40 kA,串联 DZ47-63(脱扣器 10A),在 18.29 kA 大电流冲击时的波形图,试后断路器脱扣断开。测的得限制电压为 5014V。因此,采用断路器作后备保护,则必须采用延时型脱扣电流大规格的断路器,在断路器上的电压将必须考虑。
SPD 脱离器中的温度保护是使用低熔点易溶金属,但一般该金属可焊性差,可焊性好的价格高,故一些厂家使用焊锡来代替,这样就失去了温度热保护的功能,并存在引发火灾的安全隐患。
过电压保护器(SPD)应用中的几个问题的探讨
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