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电源浪涌保护器脱扣装置存在的问题及改进方法

发布时间: 2022-10-10  点击次数: 224次

  摘要:通过介绍电源电涌保护器热脱扣装置的作用及重要性,分析目前市场上以压敏电阻为主要元器件的电源浪涌保护器热脱扣装置存在的缺陷和可能引发的风险,通过对脱扣点低温焊锡、脱扣装置的机械结构和MOV物理参数的一致性等改进,从而提高脱扣装置的可靠性,避免火灾事故发生。对提高电源涌保护器的安全性能及被保护设备的安全具有重要的作用。
 

  关键词:电涌保护器;失效模式;热脱扣装置;
 

  前言
 

  电源电涌保护器(以下称SPD)是保护电源系统不被雷电浪涌和操作过电压等损害的重要电气设备,已经被广泛应用。目前,市场上限压型电源SPD内部的核心元器件为氧化锌压敏电阻(MOV),多种原因都会导致MOV发生故障而失效,而这种失效模式常常表现为短路故障,此时SPD内部的热脱扣装置(以下简称脱离器)必须动作,把MOV从电路中脱离开,避免发生对地短路故障和引起高电压波动,烧毁用电设备。但是国内SPD内部的热脱扣装置经常采用插拔模块的管脚与压敏电阻芯片焊接的方式,其接触面为线与面的关系,接触面积小,导致热传导性能差,热量在传导过程中损耗较大,加上脱扣点均为人工焊接,MOV的温度最高点位置一致性差,常常导致MOV已经发生热击穿,脱扣装置还没脱扣,从而引发火灾事故。因此,电涌保护器自身发生老化故障或者过载故障时保证内部的热脱扣装置及时的动作显得非常重要。
 

  1 电源SPD脱离器及失效的原因
 

  SPD热脱扣装置也称SPD脱离器,把SPD从电源系统断开所需要的装置(内部的或外部的),该装置除了具有脱离器功能外,还具有过电流保护功能和热保护功能等[1]。
 

  1.1 电源SPD内部结构及热脱扣位置

 

  现在使用数量最多的电源用SPD是模数化SPD模块。它和大多数低压终端电器一样,器件的宽度制成9mm的整数倍,且采用标准导轨安装。MOV模块的功能件与安装基座之间通过插头座连接,因而当功能块损坏后可以拔出更换。下图示意性地表示了模数化SPD模块的一种内部结构,整个结构装入一个塑料外壳中,其中⑤为热脱扣点。以下描述为一次脱扣的过程:当SPD发生过载或者短路故障时,MOV电阻片4发热,热脱离器的焊点5受热后达到焊锡的融化温度时,弹性金属片6由于具有弹性弹开,并触动微动开关8,开关状态从常开转成常闭,指示灯9亮起,SPD损坏。

①, ⑦ 接线螺丝端子

②  连接导体

③  连接导体与MOV引出端的焊接点

④  MOV电阻片

⑤  低熔点的热脱离焊接点

⑥  弹性金属片

⑧  微动开关

⑨  指示灯

⑩  送出遥测信号的接线端子

 

 

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  图1 SPD内部结构组成图


1.2 引起MOV失效的原因


MOV是一种半导体材料,当加在它两端的电压低于压敏电压时,MOV呈高阻值状态,当加在它两端的电压高于压敏电压时,MOV在瞬间由高阻值状态变为低阻状态,把过电流泄放掉,随后又恢复到高阻值状态,下列故障可以引起MOV失效而发生短路故障原因。


漏电电流
 

  限压型SPD从安装到电源线路中的那一刻起,就存在着微安级的漏电电流。它是衡量SPD使用寿命的重要因素,当漏电电流出现不稳定的变化时,MOV开始老化,最终导致发生短路失效故障。
 

  暂态过电压
 

  按照GB 18802.1-2002《低压配电系统的电涌保护器(SPD)第一部分:性能要求和试验方法》规定的暂态过电压为1.5Uc[1],该电压正好处于SPD的最大持续工作电压与启动电压之间,使SPD处于半导通状态。当在SPD两端加载一个暂态过电压时,通过SPD的漏电电流会迅速增加,大小在几百毫安,如果该暂态过电压持续的时间超过5S,则MOV可能会发生热击穿而发生短路老化故障。
 

  雷电流过载
 

  当流过SPD的雷电流超过其最大放电电流时,会因过载发生热击穿,从而导致MOV发生短路老化故障。
 

  针对上述可能引起MOV的短路故障,脱离器必须要及时动作脱开,从而避免MOV由于过热而引发火灾事故,并且保证电源系统的供电连续性。
 

  2 脱离器的技术要求
 

  目前SPD的大多过热脱离器都是在MOV的引出片上设置一个低熔点的焊接点,其熔化温度一般在120℃-150℃,当焊接点的温度超过该熔点时,依靠弹性片或弹簧的弹力将电路连接拉断。这个脱离机构应满足下述基本要求:
 

  2.1 SPD脱离器的热稳定试验

  应满足GB 18802.1-2011的三项要求:如果脱离器动作,SPD应有明显的、有效断开的迹象;为了验证该要求,应采用等于Uc的工频电压施加1min,流过的电流不应超过0.5mA(有效值);试验时表面温升小于120℃,在脱离器动作5min后,表面温升不应超过周围环境温度80℃。
 

  2.2 SPD脱离器的耐受动作负载试验
 

  脱离器不应动作,试验后,脱离器应处在正常的工作状态。
 

  2.3 SPD外部脱离器
 

  SPD本身或与其外部脱离器如后备过电流保护一起能够耐受预期的短路耐受电流,且不能对环境造成破坏,必须确保 SPD使用场所的预期短路电流不能高于其短路耐受电流,同时必须确保有适当的后备保护配合并能正常工作。

  电涌保护器(SPD)和与之相连的过电流保护器(设置在 SPD 内部或外部) ,一起耐受的短路电流(当电涌保护器 SPD失效时产生)应等于或大于安装处预期产生的最大短路电流。
 

  3 目前热脱离器存在的问题及改进方式
 

  3.1存在的问题
 

  提高脱离器的工作可靠性是SPD行业最重要的技术课题之一。目前SPD热脱离器主要有二个问题:
 

  一是误动作,即SPD并未发生过热,脱离器就脱离了,主要原因是低熔点焊点的机械强度差,弹性力就将它拉脱了。二是不动作,主要原因是热设计不合理和MOV电阻片质量差。为了保证脱扣点能在MOV发生短路故障时能及时动作,现在很多工厂对脱扣点的焊接采用了定量焊锡,但是由于脱扣点采用人工的焊接方式,焊点的一致性很差,这将直接影响脱扣点的脱扣质量,常常表现为脱扣失败。
 

  质量差的MOV物理性能一致性很差,温度的最高点位置不一致,加上目前脱扣点不能实施监测MOV最高点温度,同时,MOV稳定最高点的热量传导到脱扣点是有一定的热量损耗和时间延时,因此当整个故障时间相当短时,MOV已经发生热击穿而脱扣点还没有断开的现象而导致整个SPD烧毁并引发火灾事故。
 

  3.2 改进方式
 

  SPD的过热脱离器是依靠热传导来工作的,它的响应时间一般要数秒钟,对于强过载引起的MOV“立即击穿”来不及响应,而MOV短路后,因其阻抗小,电源系统又供不出足够大的电流,因此热脱离接点始终不能脱离。在这种情况下,就要求在SPD的内部或外部有其它保护电器来将SPD短路后的工频电流切断,这种保护电器称为“后备保护”。
 

  为了解决脱扣点不动作的问题,一般会在SPD的外部采用串接熔丝或者微型断路器的方法,希望在脱扣装置发生动作失效后能及时把SPD从电网中脱离开,而这种方法也非常不可靠。因为这种后备的保护装置必须要同时满足两个互相矛盾的要求:一方面要能耐大的雷电放电电流而不熔断或断开。另一方便在发生SPD短路故障时,在较小的工频电流必须能够及时熔断。显然这对矛盾体是很难解决的,因为短路电流的大小是很难确定的。
 

  开发一种新的低熔点接点材料,它要满足这样一些要求:熔点在(130-150)℃;具有足够的机械强度,能够承受弹性零件的拉力;导电性良好,在SPD的最大放电电流下的温度要远低于它的熔点,且电压降要尽可能小,以免使SPD的限制电压明显增大;晶相稳定,能长期保持上述要求的性能;不含有禁用材料,如铅,镉等。
 

  改进SPD内部的热设计,如尽可能将脱离接点设置在MOV的温度最高的位置,这将会使脱扣点在最快的时间内动作;改善脱离接点与MOV之间的热耦合,减小它们之间的热阻,减小与脱离接点和MOV相联结的其他构件的热容量等。总之要使MOV所产生的热量尽可能快和尽可能多地传导给脱离接点。
 

  提高MOV电阻片内部结构的均匀性,以提高它能耐受的过热温度,延长它耐受过电压的时间。开发新的过热脱离机构,如加进电子控制电路等。
 

  由于脱扣装置在脱扣时会在断开的地方产生拉弧(电弧),这种电弧如果无法及时熄灭也可能引发SPD燃烧,这对于直流型的SPD尤为重要。在交流系统中电弧是可能存在的,但电弧的长度大大缩短,因为电弧冷却,在一个正常的周期内通过零点时可能被熄灭。然而直流电流保持相对恒定的,不经过零点,所以电弧相对于大的间隙来说更容易保持。这意味着电弧不一定熄灭尽管有内部热保护被激活。
 

  4 结论
 

  脱离器的改进和研发一直是各SPD生产商研究重要问题,经过分析发现引起SPD脱离器失效的主要原因有焊锡的融化温度掌握不好,MOV受热不均匀,热脱离点不在MOV最高温度点上以及脱离点的焊接工艺和设计结构等。如果要避免脱离器的失效,必须增大脱扣点的焊接面积、改善焊接的工艺水平。同时,还应注意MOV的生产工艺和筛选配,只有通过反复的测试才能检验脱扣装置的性能,这对于SPD自身和被保护设备的安全性具有重要的意义。
 

  参考文献

  [1] GB 18802.1-2011低压配电系统的电涌保护器(SPD) 第1部分性能要;中国标准出版社,2011

 

  [2] GB50343-2012 建筑物电子信息系统防雷技术规范

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