SPD的安全性对MOV的性能要求及相关检验方法探讨

贵州飞舸电子有限公司   费自豪   朱英夫 

1.    前言

随着GB18802.1-2002、GB50057、YD/T1235、GA173等系列标准的颁布及实施推广，各地防雷法规的日益健全完善，电涌保护器(SPD)的应用越来越普及，SPD生产厂商如雨后春笋般诞生，同时因SPD着火引发火灾的事例时有所闻。由于SPD常用于较重要的场合或设备的防雷安全保护，事故所造成的损失巨大，不少的生产厂商及用户均为此付出了昂贵的代价。因此在为用户提供防雷安全保护的同时，首先必须切实解决好防雷产品自身的安全问题，否则再低的残压、再大的通流、再小的漏流等均无意义。以下就应用最为普及的限压型SPD的自身安全及其使用的核心功能元件—MOV的性能要求与相关检测方法谈一些自己的分析及看法，谬误之处还望同行不吝指正。

2.    限压型SPD起火原因分析

符合规范的限压型SPD大体上由MOV芯片、热脱离保护机构、连接铜件、阻燃封装外壳组成。显然，SPD起火与MOV芯片紧密相关，要弄清楚SPD起火原因，就必须了解MOV的工作及失效原理。

2.1.      MOV的工作及失效原理

电网系统正常运行时，防雷芯片(MOV)呈高阻态，不影响电网正常工作；当线路中因雷击或操作引起浪涌过电压时，MOV将以纳秒级速度导通响应，迅速将过电流对地泄放，把浪涌过电压幅值限制在被保护设备允许承受的电平以下，使用电设备免受其害。浪涌过电压泄放后，MOV又恢复高阻态正常工作。

若短波浪涌能量太大，超过防雷芯片能承受的极限，容易导致MOV碎裂。

若系统中出现持续性供电故障过电压，超过防雷芯片能承受的极限，则会导致MOV持续发热，此时若仍不能有效切断电路，会进一步导致MOV被热熔击穿，则其电路等同于一个带限流电阻的电弧放电回路^[1]，极易起弧造成封装材料燃烧起火等。绝大部分的SPD起火均是由此引发。

还有一种情况，就是强烈雷电浪涌与正常工频电压的联合作用。持续强烈的雷电浪涌能量造成MOV急剧发热（或者环境温度太高，例如密封于铁箱内在日光下暴晒），若MOV动作电压为负温度特性且温度系数大，有可能造成动作电压(U_1mA)大幅下降，此时正常的工频电压也相当于对MOV施加了一个极高的持续过电压，造成MOV击穿引发火灾。

2.2.      国内低压供电系统易出现的几种过电压^[1]及其对MOV的影响

2.2.1.单相接地过电压

国内供电系统此种情况最常见。当供电系统中的某一相对地短路时，其它两相的对地电压（220V）即上升为线电压(380V)。这将导致Uc选值偏低的共模SPD在较短时间内失效。只要过电压持续时间不长、 MOV的质量较好且U_1mA≥510V，这种过电压通常均能承受或只造成SPD脱扣动作，不会酿成其它严重后果。

2.2.2.高低压共地耦合转移过电压

由于配电变压器高压和低压共用一地，当高压侧发生通过PE的故障接地时，会出现一个幅值很高的过电压，通过共用地耦合转移到低压系统，使得低压供电系统出现幅值很高的转移过电压，此种过电压幅值很高且持续时间长，易在数秒内在SPD的热脱离机构尚未动作前就已将MOV热击穿失效，易造成起弧、起火等。

2.2.3.失零过电压

低压供电系统的中性线由于各种原因断线后，即产生失零过电压。此时相电压输出变为线电压输出，各相电压皆由不同的负载分布决定。此种情况下的过电压有时达700V或更高，即使SPD的最大允许工作电压Uc为420V(U_1mA=680V±)，采用差模连接SPD中的MOV也将在数秒内被直接击穿，热脱离机构来不及动作，易造成起弧、起火等。

3.    对MOV的性能要求及相关检测方法

3.1.  对MOV的性能要求

显然，作为瞬态浪涌过电压保护器，必须要重视SPD的保护效果，选用残压低、通流量大的MOV芯片；但更要注意SPD产品自身的安全性，防止在无雷击情况下出现SPD的起火自燃及由此而引发火灾，对于SPD的核心功能元件MOV，有必要在如下四个方面进行考核：

a.     8/20μS通流能力及残压：包含标称放电电流和最大放电电流考核。对SPD中常用的34S型MOV，从满足目前的标准要求看，只要达到20kA×20次+40kA×2次、U_20kA/U_1mA≤2.5就可以了；据悉，IEC下一步的标准将调整至标称放电电流35次+最大放电电流5次，但目前国内能达到此要求的产品并不多。

b.    高温稳定性：包含动作电压U_1mA在一定范围内的温度特性及其系数、泄漏电流的高温稳定性。

c.     暂时过电压的耐受特性：此项指标应当根据实际情况，考核在暂时过电压下MOV发热熔脱焊点以切断电路的能力。

d.    潮湿环境耐受能力：国家标准和IEC标准已有明确规定，就不再赘述。

3.2.  高温稳定性检测方法探讨

高温稳定性主要考核芯片在较高温度下的动作电压及泄漏电流稳定性。MOV的老化失效与其负载荷电率紧密相关，荷电率的计算公式为q= ；

显然，对负温度特性的MOV而言，高温下U_1mA降低，荷电率增大，将导致泄漏电流增大；而泄漏电流的增大又将导致MOV的进一步发热，构成一个恶性循环，使得MOV很快失效，故必须考核高温加负载情况下U_1mA和I_L的稳定性。根据实际情况，考核120℃～160℃下U_1mA和I_L的稳定性是必要的。

考核高温稳定性用如下三个指标来衡量：

a.     电压温度系数τ= =－0.05～+0.05％/℃；推荐为0～0.05％/℃。U_1mA(130℃) 以130℃下施加75%U_1mA直流负荷、保温120min时的值为准。

b.    漏电流I_L变化趋势： 130℃下恒定施加75％U_1mA（25℃）的直流电压，流过压敏电阻的电流稳定或呈减小趋势。

c.     130℃下恒定施加1.1倍U_C（交流有效值），持续7h，冷却恢复1h后测量，泄漏电流I_L保持稳定且变化率≤100%，限制电压Ur、压敏电压U_1mA变化率≤5%。

一般而言，正温度系数MOV的高温稳定性更好。 

高温稳定性检验表

必须指出，在承受8/20μS冲击后的高温稳定性更加重要。

3.3.  暂时过电压耐受特性的检测方法探讨

暂时过电压是由于供电故障而引起的持续性过电压，作为瞬态浪涌过电压保护器件的SPD对此是无能为力的。当系统中出现暂时过电压时对SPD的要求要么是不动作，能够承受（幅值较小时）；要么是迅速脱离，切断流经SPD的电路（幅值较高时），不得起火燃烧。总之要确保自身安全，不能因为SPD的原因而引发火灾等。考虑到各SPD生产厂产品结构差异大、技术水平良莠不齐，我们认为采用如下方法对MOV在暂时过电压下的脱离能力进行考核较为合适：将两引出电极片用63A焊锡（183℃）与芯片银面焊接好后连接导线，导线与芯片间施加200g外张力，施加1.1倍U_1mA的交流电压（有效值），锡焊接处熔化、导线或电极片与芯片脱离接触切断电路。以芯片不出现击穿或其它目视可见的机械损伤为合格。过程中应在芯片下方垫软物以防止脱落时摔破损。电压的施加方式应模拟现实中的供电故障情况：突然出现瞬间过电压

暂时过电压耐受特性检验表

同样，考核承受8/20μS冲击后的暂时过电压耐受能力更加重要。

4.      结论

作为瞬态浪涌过电压保护器件，SPD不仅要重视其保护效果（要求较低的残压、较大的通流），更要重视其自身的安全性能。在保护效果相差不大的情况下，应当优先选择安全性能好的产品。对MOV的性能要求要综合考虑保护效果、安全性能、寿命特性等，不能牺牲其它方面来过多追求某一方面。

（本文引用了郭亚平先生对暂时过电压的论述，特此致谢——作者注）

参考文献：

[1]：郭亚平等：氧化锌压敏电阻用于低压供电系统的起火原因及解决对策；第十一届压敏学术年会暨海峡两岸首次技术研讨会专刊 P25

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