电源SPD后备保护装置失效模式分析

图4

电源SPD 后备保护装置失效模式分析

Power SPD overcurrent protection device Failure analysis

厦门大恒科技有限公司

摘要：SPD 火灾事故与雷电防护失效是SPD 应用中的一个短板和难题，本文从理论与实验两方面分析了SPD 后备保护装置熔断器、断路器的失效模式，并介绍了一种新的能够最大限度确保SPD 安全的专用后备保护器。 关键词：SPD 、熔断器、断路器、边界条件、失效模式 1、概述：

国内外用于SPD 后备过流保护使用的是熔断器或断路器，这两种器件为了保证雷电冲击电流到来时不开断取值往往较大。当SPD 出现劣化或者电源出现异常导致流入工频电流（俗称续流），熔断器或断路器不能迅速切断电路致使SPD 起火燃烧（由于SPD 的导通电阻随着工频异常电压不同而变，工频续流是个不确定值）。当两种保护装置速断值选择偏小时，雷电冲击电流又会造成速断致使防雷保护失效。SPD 引发的火灾事故和防雷失效事故现场分析及实验室验结果表明：火灾事故基本是由SPD 工频续流引发（持续的电源能量使SPD 迅速燃烧），防雷失效事故大多数是防雷器脱离了保护线路造成的。图1是一个SPD 起火烧毁机柜的现场图片。

SPD 失效或工频电源出现暂态过电压引起的SPD 起火是小概率事件，导致目前许多SPD 工程应用不安装后备过流保护装置。这种观点认为在一次电源异常事故中，SPD 起火是几乎不可能发生的。关于这一点我们要有以下两个方面的认识：一是这里的“几乎不可能发生”是针对“一次电源异常事故”来说的，因为电源异常事故是个不确定的事件，那就有可能发生；二是当我们运用“小概率事件几乎不可能发生的原理”进行推断时，我们也有5%犯错误的可能。众多的SPD 火灾事故应该能说明这一点。 2、SPD 起火的边界条件 2.1、MOV

氧化锌压敏电阻（MOV ）是一种以氧化锌为主体、添加多种金属氧化物的多晶体半导体陶瓷元件（图2）。当通过电流能量超过本身承受极限时，出现不可恢复性损坏。雷电冲击电流持续的时间短暂，损坏的模式基本上为本体炸裂。如果能量由交流持续供给，电流集中流向MOV 的薄弱点，产生的高热使薄弱点肖基特势垒消失，形成击穿气化燃烧，SPD 分离装置没有温度积累的时间，巨大的气体膨胀力促使SPD 向外喷火燃烧。铁路、移动基站、计算机房、工厂配电等发生的多起SPD 火灾事故说明了这一点。

在对V 1mA =620V ，电压梯度=275 34mm MOV 方片进行的工频电流起火边界条件测试证明：MOV 的起火边界条件大于工频电流5A （这与YD/T 1235.1-2002 {通讯局（站）低压配电系统用电涌保护器技术要求}6.4.7条规定的边界条件是吻合的）。质量参差不齐的25mm 圆片和34×34mm 方片承受不超过5C 电量是安全的；在TOV 故障试验（1420V/ac 有效值，300A ）条件下，通过1个周波是安全的！当通过3个周波时（16.7C 电量）芯片出现不可恢复性损坏，图3是损坏后的芯片金相图。 2.2、GDT

安装在L-PE 上的GDT ，一个浪涌或电源振荡即可激发导通，导通的GDT 弧电压使电源处于短路状态。当持续的电弧烧穿封装电极片时，火焰迅速喷发燃烧。对600V/60kA 和600V/100kA 间隙放电管（厂家给出具有较高的续流遮断能力）进行的800Vac/110A 试验第11个周波起火燃烧（图4，电压波形见图5）。试验证明：GDT 依靠具有工频续流遮断能力防火是十分危险的！2010年内蒙某风力发电站3起间隙型SPD 火灾事故和2012年西安4起间隙型SPD 火灾事故充分证明了这一点。

图 5

图 2

图3

图1

GDT在几种电源模拟故障的试验数据表明，在极限状态情况下，GDT的起火边界条件仍然大于9个周波。没有实验数据证明GDT能够完全依靠自身的续流遮断能力避免起火！这说明控制GDT的工频续流时间既能有效的防止SPD起火。实验数据证明这个边界时间不小于100ms。

MOV起火的边界条件小于GDT起火的边界条件，因此取MOV起火边界条件作为SPD后备保护装置的动作参数，能够覆盖电压开关型和电压限制型SPD后备保护装置的全部条件。根据试验数据绘制成的SPD后备保护安全曲线见图6：横坐标是通过SPD 的工频电流（有效值），纵坐标是电流通过SPD的时间。曲线1（绿色）下方面积是SPD安全脱扣区，曲线2（红色）上方是SPD 不安全脱扣区（起火多发区），给我们选择SPD后备保护装置建立了理论依据。

3、SPD后备保护边界条件

我国35千伏中性点不接地或小电流接地供电系统，发生单相接地短路故障可以持续运行2小时，这种故障以及电网出现谐振等故障电流通过接地向低压侧传导暂态过电压。另外在低压侧断零、中性点偏移、操作过电压等产生的暂态过电压等对SPD的安全是个严重威胁，SPD后备保护就显的格外重要。根据电网以及SPD泄放雷电流的特性，后备保护装置符合以下条件能够满足安全需要：3.1 工频短路电流分断能力边界条件

T1级SPD出现短路故障，预期工频短路电流民建不小于50kA、工建不小于100kA是合适的。T2、T3级预期工频短路电流民建不小于6kA、工建不小于20kA是合适的，后备保护装置必须能够分断这种等级电流。

3.2 雷电流冲击不误断边界条件

后备保护装置串联安装在SPD线路中，一旦保护装置开断设备就失去了防雷保护。后备保护装置在雷电流冲击下不误断至少应该满足：T1级不小于SPD的Iimp（10/350μs，不小于15kA）；T2级不小于SPD的Imax（8/20μs，不小于80kA）；T3级不小于SPD的Imax（8/20μs，不小于40kA）。

3.3 SPD起火防护边界条件

根据2.1、2.2的分析，SPD工频续流大于5A以上时易起火，考虑到MOV不同生产厂家参数的差异化，需要在工频电流达到5A前切断电路，既能发挥MOV能够承载一定暂态过电压的能力，又能避免出现误断的现象。

3.4 冲击电流下残压值边界条件

后备保护装置串联安装在SPD线路中，GB50057-2010中6.4.4条（设备绝缘耐冲击电压额定值）指的是后备保护器、电缆和SPD的总Up值。因此后备保护器在冲击电流下的残压应低于或等同熔断器，最好能与同长度、额定截面电缆残压值相等。

3.5 冲击电流下寿命边界条件

后备保护器必须高于SPD在额定冲击电流下所具有的使用寿命，亦即在冲击电流In下不少于16次，Imax下不少于2次。根据广东从化雷电试验场引雷记录波形分析，后备保护器应能够承受雷电多脉冲试验。

4、熔断器和断路器

4.1 FUSE：熔断器是根据通过的电流能量产生的焦耳热熔断，我们选取一个满足40kA（8/20μs）的雷电流通过不熔断、直流电阻为1mΩ的熔断器，产生的电压降为40V，能量为E1：

E∫

计算式中：0.5为波头系数，1.4为波尾系数。由于冲击电流持续时间在微秒级，熔体能量集中在熔体内，可视为绝热过程。

如果用这个熔断器做SPD后备保护，假设发生了80A工频电流，那么这只熔断器产生等同E1能量的时间为：