限压型浪涌保护器动作负载测试研究

2021-11-20 · 阅读214

1概述

浪涌保护器内主要元器件为压敏电阻,近年来,浪涌保护器起火事故引起了防雷行业的高度重视,目前国内市场SPD产品质量基于《低压电涌保护器( SPD)》(GB/T 18802. 1-2011)标准，且不能够适应国际标准IEC 61643- 11-2011,提高SPD产品性能和标准迫在眉睫。已经送审的GB/T 18802. 11标准进一步明确了负载侧功率特性动作负载试验及功率特性的产品标识。很显然, GB/T 18802. 11更加重视和强化了浪涌保护器在工作状态(有标识下的额定负载电流/功率的状态)下对电涌保护器的保护特性,要求在负载端安装的电涌保护器必须标明标称拟定被保护的负载工作电流。为了配合新标准的制定和实施,本文依托“低压电涌保护器(钳压型)动作负载研究"科研课题,做一些相关试验研究。

2低压配电浪涌保护器故障起火机理

氧化锌变阻器类电压限制型低压配电浪涌保护器起火的原因很多,其中包括:动作负载的着火故障、单相接地过电压起火故障、高低压共地耦合转移过电压起火故障、失零过电压起火故障、雷击续流起火故障及相电压相续高压故障等。国内外及行业标准中要求电压限制型低压配电浪涌保护器安装后备过流保护装置,目的是当电压限制型低压配电浪涌保护器出现起火短路故障时,保护装置能够迅速切断电路,避免保护开关出现越级脱扣,造成电源系统大面积断电。另外一个作用是防止电源系统出现电压异常升高导致电压限制型低压配电浪涌保护器启动流人工频电流起火。很遗憾目前所有的断路设备(各种断路器熔断器)均在电压限制型低压配电浪涌保护器起火时无法断开,因为电压限制型低压配电浪涌保护器起火时起始保护器故障电流较小而达不到断路装置的工作电流,造成氧化锌变阻器类电压限制型低压配电浪涌保护器起火。

3试验设计及数据分析

3.1试验目的

氧化锌变阻器类电压限制型浪涌保护器，需在浪涌保护器最大持续工作电压下施加拟定被保护负载的功率(通常以负载工作电流为代表) ,安装工频电流/电压的正弦波设定的角度下实施模拟雷电流冲击实验，观察浪涌保护器的各种系统工作状态,用以确定是否发生续流下的着火现象，测试目前国内SPD产品在国际标准和国内送审的新标准下的实验性能和质量情况。

3.2试验依据

试验参照标准:(1)《低压电涌保护器(SPD)第11部分:低压配电系统电涌保护器性能要求和试验方法》(EC 61643-11-2011);(2)《低压电涌保护器(SPD)第11部分:低压配电系统电涌保护器性能要求和试验方法》( GB/T 18802.11-20x x)送审稿;(3)《低压电涌保护器(SPD)第1部分:低压配电系统电涌保护器性能要求和试验方法》(GB/T 18802.1-2011)。

3.3试验流程（见下图）

3.4试验数 据及分析

试验试品为市场采购品,分10组进行试验，每组3只样品。试验设备包括三进单出大功率隔离变压器,1500A交流负载柜,模拟雷击电流发生器,动作负载测试系统,高温试验设备,分压器、分流器等其他辅助试验设备。

3.4.1试品第一次Up前期预测试验循环试验

对每只浪涌保护器进行20 kA(8/20)三次冲击，然后对试品的Up进行测试，掌握试品试验前的初始电压保护水平Up。将所得数据做Up -冲击电流In坐标图(kV -kA),如图2所示，经分析发现:坐标点分布在斜率为0.272kV/kA,垂直宽为0.42kV,而且上沿经过.(18.5 kA,1.32 kV )坐标点，下沿经过(18.5 kA,0.9 kV)坐标点的向上倾斜的通道内;为了后面的分析对比,我们定义这个通道为初始状态通道,并记下通道位置;为了过滤掉试验冲击电流In的波动对Up的影响,我们引入了Up/In这一参数,根据数据计算,得到预计Up与冲击电流In的初始比值为:(Up/In)0 =0.078 0 kV/kA。.

3.4.2试品系统Uc预测试验

系统Uc预测试验是将试品两端加上Uc,在烘箱85°温度环境48h老化,使试品内部形成的结构更加牢固稳定,逐渐使其理化性能、电气学特性更加趋于稳定和正常;老化试验后随即测量参考Up值。将所得数据做Up冲击电流In坐标图(kV -kA),并叠加上一步骤所得初始状态通道，如图3所示。

对图3进行分析，发现一部分落点向通道上沿移动,有的超过了上沿，大部分保持在第一次 Up前期预测试验的落点区域内,少部分向下移动分散，(Up/In); =0.079 8 kV/kA。虽然这只是试验过程的中间环节,但可以说明,我们在市场上随机采购的试品质量是参差不齐的。

3.4.3试品第二次Up预测试验

依据标准, 对冷却后每只浪涌保护器试品进行3次20 kA (8/ 20)电流冲击,测试Up。将所得数据做Up冲击电流In坐标图(kV -kA),叠加初始状态通道,如图4所示。

从图4可知,落点分布与上一试验图(系统Uc预测试验图)相似，没有大的变化,( Up/In)2 =0.081 1 kV/kA。

3.4.4初始In冲击电流试验

对冷却至室温后的试品进行In20 kA(8/20)下的雷击电流冲击,正反极性各5次,依据标准实施试验冷却间歇;试验结果:所有试品均未见异常。

3.4.5试品Imax冲击电流试验

依据标准对试品进行Imax下的雷击电流冲击，正反极性各一次， 依据标准实施试验冷却间歇。试验结果见表1。由表1可以看出,有4只浪涌保护器试品内部脱扣。

3.4.6试品第三次Up测试试验

试品冷却至室温后,进行In20 kA(8/20) 下的雷击电流冲击,将所得数据做Up冲击电流In坐标图(kV -kA)，并叠加初始状态通道,如图5所示。

图5中显示，除了4只脱扣试品,其余试品Up值均未有明显的变化，落点仍在初始通道内，其电气性能未受损坏,(Up/In); =0. 0827 kV/ kA;[ ( Up/In)(Up/ In)2]/(Up/ In)3* %o =1.9%， 可见,(Up/In)变化率只有1. 9%，很小。

3.4.7 试品初始5A预处理试验

依据标准中相关要求，在试品两端施加Ue电压,输出功率为5A负载。在Ue正弦波的30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、2400、270°、300°、330°、360实施In下的电流冲击，观察动作负载情况,依据标准实施试验冷却间歇。试品全部通过测试。

3.4.8 300A动作负载循环试验

试品冷却至室温后,在两端施加Uc电压，输出功率为300A负载。在Uc正弦波的30、60°、90、120°、1509、1802100、2409、27093002、 330°、3609实施In'下的电流冲击，观察动作负载情况，依据标.准实施试验冷却间歇。数据结果:试品全部通过测试。

3.4.9 1500A动作负载循环试验

试品冷却至室温后,在两端施加Uc电压，输出功率为1500A负载。在Uc正弦波的30、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240° 2709、300°、330°、360°实施In下的电流冲击，观察动作负载情况，依据标准实施试验冷却间歇。数据结果见表2。由表2可知，有11只浪涌保护器试品损坏起火，仅15只浪涌保护器试品通过了试验。

3.4.10试品第四次Up测试试验

冷却至室温后,依据标准对试品进行三次In20 kA(8/20)下的雷击电流冲击,读取Up值,做Up冲击电流In坐标图(kV -kA)，并叠加初始状态通道，如图6所示。
有11只试品未通过1500A动作负载循环试验;15只试品通过了全部测试。通过测试的15只试品,其Up在Up冲击电流In坐标图(kV -kA)上的落点，一部分略有向上的变化，

( Up/In)4 =
O.083 4 kV/kA。
(Up/In)4 -(Up/In)1 =0. 083 4 kV/kA-
0.079 8 kV/kA=0.003 6 kV/kA
[ (Up/In)4-(Up/In){]/(Up/In)4 =4.3%
Up波动率4.3%，在可接受的范围内。

3.4.11典型 波形分析

从图7a可以看到线路波形在冲击前保持负载电压的正弦波形,冲击时SPD短路着火,线路电压归零，波形是接近零轴的直线;从图7b可以看出，冲击后浪涌保护器自恢复性能良好，线路电压波形恢复为负载电压波形;从图7c可以看出,冲击后浪涌保护器自恢复性能良好，线路电压波形恢复为负载电压波形。

4试验总结

在工频1500 A动作负载试验中，损坏着火均出现在0 ~90°工频角和180° ~270工频角，拆开损坏的浪涌保护器试品，发现着火多数存在4个边角着火，也存在4个角着火。在通过1500A工频动作负载试验的产品中,也有6只脱扣未着火，拆开后发现MOV芯片有工频电流通过的微小痕迹，内部脱扣装置实现了负载电流的阻拦，浪涌保护器与负载电源脱离未发生着火。存在差异的原因，是由于试品的制作工艺、技术及配方的差异形成的。由试验数据分析得出,一部分试品通过了试验，而另一部分试品出现了着火损坏。低温焊锡丝、温度软金属、拉力弹簀的弹性系数、合金弹片的物理构成与弹性系数与负载电流的关系等都是影响动作负载浪涌保护器脱扣的原因。

通过试验,验证了在一定的负载电流条件下，雷电冲击配电系统，可以造成负载电流通过配电系统浪涌保护器短路，引起起火，而内部脱扣装置正常动作切断负载电流则能够避免着火。

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