关于SPD应用中问题的探讨

关于SPD应用中问题的探讨
李江;刘波;张建军
【摘要】针对SPD在应用中存在的几个问题进行探讨.重点论述了SPD的响应时间、多级SPD的动作顺序、不同波形冲击电流的等效变换、残压与冲击电流峰值
的关系和SPD应用中各个电压量之间的相互关系等问题,可供相关系统设计、运行、维护人员参考.
【期刊名称】《管道技术与设备》
【年(卷),期】2007(000)003
【总页数】3页(P21-22,28)
【关键词】输油气管道;电涌保护器(SPD);应用;问题
【作者】李江;刘波;张建军
【作者单位】中油管道公司运销处,河北,廊坊,065000;中油管道公司大连输油分公司,辽宁,大连,116300;中油管道公司运销处,河北,廊坊,065000
【正文语种】中文
【中图分类】TG405
1 SPD的响应时间
SPD是对冲击过电压起抑制作用的非线性元件，按工作机理可区分为“限压
型”(如氧化锌压敏电阻、稳压二极管)和“开关型”(如气体放电管，可控硅)。

氧
化锌压敏电阻是一种化合物半导体器件，其中电流对于加在它上面的电压的响应是
很快的。

图1的示波图[1]是美国GE公司用不带引线的压敏电阻进行抑制冲击电
压的实验所得到的，图中的曲线1是不加压敏电阻时的冲击电压，曲线2是被压
敏电阻抑制后的波形。

从图1可以清楚地看出，氧化锌压敏电阻抑制冲击电压作
用的延时小于1 ns.而以前的技术资料中所说的用压敏电阻构成的SPD的响应时间T≤25 ns是技术标准IEEE-C62·33-1982中定义的响应时间，它是一个用来表征“过冲”特性的物理量，这与通常意义上的响应时间是完全不同的概念。

图1 压敏电阻对冲击的响应
近几年发表的国际电工委员会关于SPD的主要技术标准IEC61643-1和
IEC61643-21，都没有引入响应时间这一参数。

IEEE技术标准[2]C62·62—2000
更明确指出：“波前响应这个技术要求对SPD的典型应用而言没有必要，还可能
引起误导”。

因此在没有专门要求的情况下，不规定这个技术要求，也不进行试验、测量、计算或其他认证，原因如下：
(1)对于冲击保护这一目的而言，在规定条件下测得的限制电压才是十分重要的特性。

(2)SPD对波前的响应特性不仅与SPD的内部电抗，以及对冲击电压起限制作用的非线性元件的导电机理有关，还与侵入冲击波的上升速率和冲击源阻抗有关，连接线的长短和接线方式也有重要影响。

2 多级SPD的动作顺序
当单级SPD不能将入侵冲击过电压抑制到规定的保护电平以下时，就要采用含有
二级，甚至三级非线性抑制元件的SPD.
图2是个两级保护SPD的例子。

图中两级非线性元件RV1和RV2都是压敏电阻，实用中RV1也可以是气体放电管，RV2也可以是稳压管或浪涌抑制二级管(TVS 管)。

两级之间的隔离组件ZZ可以是电感Ls或电阻Rs，若RV1和RV2的导通电压分别是UN1和UN2，则所选用的元件总是UN2<UN2.
实际上，第一级先导通或第二级先导通都是可能的，这取决于以下因素：
(1)入侵冲击波的波形，主要是电流波前的升速(di/dt)。

(2)非线性元件RV1和RV2的导通电压UN1和UN2的相对大小。

(3)隔离阻抗Zs的性质是电阻(Rs)还是电感(Ls)，以及它们的大小。

图2 两极保护SPD
3 不同波形冲击电流的等效变换
SPD的冲击电流试验，会碰到诸如8/20、10/350、10/1 000或2 ms方波等不
同波形，从对于SPD的破坏作用等效的角度看，如何进行不同波形冲击电流峰值
的换算成为探讨的问题。

有的主张按电荷量相等的原则进行换算。

按照这一原则，只要将2种不同波形的电流波对时间积分，求得总的电荷量，令2个电荷量相等，就可得到2种波形电流峰值之间的比例关系了。

这种变换与泄放冲击电流的元件
没有一点关系，显然是不切合实际的。

还有的主张按能量相等的原则进行换算。

按照这一原则，不仅要知道2个电流波形，还要知道当这2个电流波流入电压抑制
元件时，该元件两端限制电压的波形，然后将各个时刻对应的电流值和电压值相乘而得出功率波，再将功率波对时间积分而得出能量，令2个能量值相等，就可得
到2个电流峰值之间的比例关系了。

这种变换方法考虑到了具体的非线性元件，
但显然没有考虑冲击电流的热效应和电流值很大时的电动力效应，所以也是不符合实际情况的。

实际上就氧化锌压敏电阻而言，它能承受的8/20冲击电流的能量，比承受2 ms冲击电流的能量大，如图3[3]所示。

图3表明了厚度为1.3 mm的
压敏电阻样品能承受的冲击电流能量随电极面积的变化。

同一只压敏电阻器对于不同波形冲击电流的能量耐受能力是不同的，所以按能量相等原则来换算不同波形冲击电流的峰值，至少对压敏电阻是不适用的。

图3 破坏能量与波形的关系
图4 破坏电流与波形宽度的关系
图4为在大电流作用下，压敏电阻的2种破坏模式。

当大冲击电流的时间宽度不
大于50 μs时(例如4/10和8/20波)，电阻体开裂；当电流值较小而时间宽度大
于100 μs(例如10/350、10/1 000和2 ms波)，电阻体穿孔。

2种不同的破坏模式可以这样解释：时间很短的大电流在电阻体内产生的高热来不及向周围传导，所以是个绝热过程，加上电阻体的不均匀使电流在电阻体中的分布不均匀，这样电阻体不同部位之间的温差很大，形成了很大的热应力而使电阻体开裂。

当冲击电流的作用时间较长时，电阻体不均匀造成的电流集中，使电阻体材料熔化而形成穿孔。

图4的实验曲线表明，使压敏电阻体破坏的电流密度J与冲击电流波的时间宽度τ之间的关系，在双对数坐标中大体为一条斜率为负值的直线，因而可用下面的方程式来表达：
lg J=C-k lg τ
(1)
式中：J为电流密度，A/cm2；τ为冲击电流波的时间宽度，μs；k为与器件相关
联的常数；C为与器件相关联的常数。

C和k2个常数可以根据实验资料推算出来。

得出C和k的具体数值后，就可以进行不同波形冲击电流峰值之间的换算了。

综上所述，对于以压敏电阻作为非线性抑制元件的SPD，为进行不同波形冲击电
流之间的等效变换，应以2种不同波形(例8/20、10/350)的冲击电流对压敏电阻进行试验，分别得出使试样失效的2个电流峰值，代入式(1)，求得常数C和k的具体数值，然后利用该公式进行计算。

试验时不一定进行到样品开裂或穿孔，可将压敏电压变化达到-10%，作为失效判据。

最后还需要指出一点，就是不同企业、不同批次的压敏电阻器，尽管尺寸规格相同，但实际能承受的冲击电流(能量)的水平，可能相差很大，因此必须对每一供货批逐批抽样检验。

4 SPD的残压与冲击电流峰值的关系
IEC61643-1对SPD限制电压的测量方法作了规定：若测试信号为8/20电流波，则要求在电流峰值为标称放电电流In的0.1、0.2、0.5、1.0和2.0倍下测出正反
向的残压值，取2个方向中残压值大的那个方向的测量点，作出最逼近于这些点
的拟合曲线，取该曲线上电流≤In区段上的最大值作为SPD的限制电压值。

这就
意味着SPD的最高残压值不一定发生在冲击电流为最大值的时候。

当SPD中有电抗组件(例如L-C低通滤波器)的时候，观测到了在小冲击电流峰值下的残压，高于在大冲击电流峰值下的残压的情况，证明了IEC61643-1的这种规定的合理性。

若已经确切地知道SPD中没有电抗组件，仅由限压型或开关型非线性组件，以及二
端口SPD中的隔离组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最大的时候，因此在实际工作中，对这类SPD的残压，只要
在规定的In或组合波的Uoc下，对正反两个方向各测1次，取大值就可以了。

图5为8/20电流波和压敏电阻的限制电压波。

从图5(a)中可看出，当以8/20电流波测量压敏电阻的残压时，电流波达到峰值Ip的时刻ti，与电压波达到峰值Up 的时刻tu并不重合，tu先于ti.由于氧化锌压敏电阻抑制冲击电压作用的延时小于1ns，这是由压敏电阻本身的特性所决定的。

即导通电阻从大到小达到稳态值，则需要较长的时间。

也就是说，在8/20电流波的作用时间内，压敏电阻的电阻值R 还在不断地减小，而电压波是每一时刻的电流值i，与该时刻的电阻值R相乘所形成的，因而电压波的峰点与电流波的峰点不会在同一时刻出现。

在压敏电阻的8/20冲击电流试验中，经常会看到图5(b)所示的电压波，它一开始有一个尖峰，且波顶明显下倾，这不是压敏电阻真实的限制电压波，而是放电电流的辐射干扰电压和连接线电感电压迭加在正常限制电压上的结果，应改进测试技术，排除这种附加成分。

(a)真实的波形(b)受干扰的电压波形图5 8/20电流波和压敏电阻的限制电压波
5 SPD应用中的电压关系
在低压电源保护用SPD的应用中，涉及到多个电压值，易于混淆。

掌握这些电压值之间的相互关系，对于正确使用SPD十分重要。

SPD的应用涉及到供电电源、冲击源、SPD和被保护对象等4个环节，协调好这4个环节的电压关系是SPD应用技术中的一个重要课题。

对于以压敏电阻作为非线性元件的低压电源用SPD，可用图6来表示各种电压量之间的相对大小关系。

对于供电电源，不仅要注意系统电压的正常波动范围，更要注意供电系统故障时的最高暂时过电压(TOV)，这个电压应低于SPD的允许最大持续工作电压。

就SPD本身而言，要考虑它的直流参考电压(压敏电阻器的压敏电压Un)和标称放电电流下的保护水平。

SPD与放电电流相关的电压有残压、限制电压和保护水平。

对于被保护对象，则要确定它允许的冲击耐压值。

应用SPD的一个基本要求是SPD的保护水平应低于被保护对象的允许冲击耐压值。

从这一要求出发，在应用中倾向于选用限制电压和直流参考电压低的SPD.但另一方面，对压敏电阻器而言，直流参考电压越高，在TOV条件下损坏的概率就越小，承受电源系统电压应力的工作寿命也越长，从这方面考虑，在应用中又倾向于选用直流参考电压高的SPD.显然，上面2个方面的要求是互相矛盾的，在实际工作中应作折衷处理。

特别是当被保护对象允许的冲击耐压与电源系统电压差距不大时，SPD直流参考电压的选定，是个困难的课题，有时不得不采取一些特殊的措施。

图6 低压电涌保护用SPD应用中的电压关系
参考文献：
[1] General Electric Company.Transient Voltage Suppression Manual.
[2] IEEE std.C62.62-2000.Test Specification for Surge Protective Devices for Low-Voltage AC Power Circuits.
[3] Ka zuo E. Destruction mechanism of znO varistors due to high
currents.J.Appl.phys.1984(11)：2948-2956.。