上海市防雷中心 蔡振新
摘 要 最近有關低壓配電系統的電涌保護器（SPD）第一部分：性能要求和試驗方法，國家標準GB18802.1－2002已頒布，并且規定于2003年4月1日起執行。圍繞著新規范的出臺，國內一些專家，SPD的生產廠家，國內外經銷商紛紛發表文章，提出自己的看法，有的贊成，有的反對。以作者之見，最大的問題還是國內目前還沒有一家實驗室，能夠完全按GB18802.1－2002規范中式試驗要求做一遍驗標的試驗。由于本人正在受中國氣象局委托，在上海籌建國家級低壓避雷器測試中心，現將本人學習新規范及這二年對國外先進國家SPD生產線考察的情況，結合GB18802.1－2002規范中幾項重要的測試提醒國內SPD生產廠家應注意的幾個問題。
關鍵詞 執行、SPD生產廠、規范、注意幾個問題
1、前 言
國家標準GB18802.1－2002“低壓配電系統的電涌保護器（SPD）第一部分：性能要求和試驗方法”是完全等同采用IEC61643－1：1998 IDT國際標準 ，因此對國內各測試實驗室，各生產廠家，經銷商及防雷減災的管理工作者都存在學習和消化的過程。
隨著我國進入WTO，國外幾十個SPD生產廠商進入我國市場，國內也有一百多個生產廠家生產SPD。由于過去測試標準不統一，測試方法不一致，生產工藝的先進和落后，因此目前市場上SPD良莠不齊，魚目混珠，嚴重影響防雷工程的質量。新的國家標準采用了國際IEC先進的標準，學習、貫徹執行新標準是我們的當務之急。現將本人學習的一點體會供同行參考。
2、提高氧化鋅（ZnO）閥片的加工工藝水平保證產品性能的一致性
新標準對產品的測試提出更嚴酷的條件，特別是實測限制電壓、動作負載試驗、熱脫鉤裝置等，均在加載（交流220V或380V）的情況下，反復測試畫出連續曲線，測得SPD的熱穩定度、保護水平（Vp）等重要參數。因此特別是對SPD中的氧化鋅閥片（MOV）的晶格和晶界層的穩定度，一致性要求比較高。ZnO壓敏電阻的平均壽命時間（Ml）是符合阿侖尼斯（Arrhenivs）反應速率模型的，即平均壽命aMl（小時數）可表示成 Ml=eR/T·C
式中：R—常數，與材料和制造水平有關
C—常數，與加壓比有關 Rap
T—絕對溫度 K
氧化鋅（ZnO）壓敏電阻是由大量壓敏單元串、并構成的集合體。壓敏單元是一對互相直接接觸的ZnO晶粒及其間的一對肖脫基勢壘相當于兩只背靠背連接的穩壓二極管，因此壓敏電阻的宏觀性能是許多壓敏單元性能的統計表現。
ZnO壓敏電阻總勢壘電壓Un=n1×Vz=H/d0·Vz
式中 n1：壓敏電阻沿厚度方向有n1個壓敏單元串聯
Vz：每一壓敏單元的勢壘電壓
H：壓敏電阻的厚度
d0：壓敏單元晶粒立方體的邊長
ZnO壓敏電阻能承受的沖擊電流
Ip=n2×ip=S/d02·ip
式中： n2：在電極面積S下有n2個壓敏單元相并聯
ip：每一壓敏單元能承受的沖擊電流
S：ZnO壓敏單元的電極面積
由此可見，ZnO壓敏電阻性能優劣與ZnO粉末的純度、晶粒的大小、添加劑的配方、燒結的溫度、老化水平、壓模技術等都有非常密切的關系。如果我們還是像過去一樣，僅僅測試幾個靜態參數，反映不了ZnO閥片的真實性能，因此新的國家標準提出了在更加嚴酷的條件下測試SPD的實測限制電壓，動作負載試驗及熱脫鉤裝置等重要參數。這對提高我國SPD生產質量具有十分重要意義。國內生產廠商因通過新標準規定的這些測試，發現自己生產的產品與國外同類產品之間的不足之處，努力改進生產工藝，盡快達到國際先進水平，參與國內外的市場競爭。
3、提高氧化鋅閥片的焊接技術
氧化鋅閥片嚴格意義上也是一種新型的半導體器件，它對溫度的敏感性非常強。美國、歐洲一些先進國家SPD的生產線、ZnO閥片的上錫、焊接完全在真空、恒溫下進行的，因此能很好得保證ZnO閥片內部的晶格和晶界層免受破壞，從而保證ZnO閥片性能參數的一致性。壓敏電阻技術規范中規定了85℃施加最大持續交流電壓，試驗1000h中沒有劣化現象。
圖⑵中曲線⑴表示，IR隨時間單調上升。一開始慢一點，當試驗到一定時間后上升速度明顯加快。這種壓敏電阻是不穩定的。曲線⑵表示，在開始階段IR隨時間上升，越過一個最高點后便穩定下降。曲線⑶表示，在1000h的全過程中IR隨試驗時間t都是上升的。如圖⑶所示，在高溫下在試驗大約20小時后，IR時間t按下式規律上升
IR=IR0＋Ktn
式中： IR0和K是兩個常數，n值大體在0.3－0.5之間。
目前國內一些廠家用大烙鐵在大氣環境下進行焊接，其缺點：
1 ZnO表面各點的溫度無法均勻控制。
2 大氣中含有對半導體器件有害的雜質，從而引起各種邊緣效應。
大氣中溫、濕度無法控制，導致ZnO閥片界面處的晶界層受潮，介電常數發生改變，會對系統造成較大漏電流。有的ZnO閥片兩面雖經過涂環氧粉末樹脂，但通過不均勻加熱焊接后，涂層發生破壞，失去原涂層具有的電擊穿強度高，介質損耗小，吸水率小，機械性能強等優點，造成產品可靠性和一致性的嚴重下降。
4、高熱脫鉤裝置技術安全性能
電源系統的過電壓（流）保護器（SPD）的內部熱脫鉤裝置是一個非常重要的部分，它是ZnO閥片一旦劣化短路時避免爆炸起火的關鍵措施。目前國際上大致有兩種做法，一種是以美、英為主的多片氧化鋅串、并聯組成，每路采用熱熔絲保護方法。另一種是以歐洲德國、法國為主的單模塊或雙模塊并聯，采用機械熱脫鉤的保護方法。兩者比較各有利弊。熱熔絲保護模式結構比較簡單，沒有復雜的機械聯動機構，故障率低，并且有熱備份功能，這對南方連續雷擊時間在20－40分鐘地區具有特別重要的實際意義。筆者到廣東從化某單位考察，幾家公司為他們做了防雷工程，國內外產品用了不少，但沒有一家幸免于難。究其原因，一固然是從化地區年平均雷暴日在80天以上，周圍丘陵地貌決定雷暴強度異常，再加上電源、信號線全部架空進入機房，沒有經過穿金屬管屏蔽。另一個主要原因是該地區連續雷擊時間特別長。據工作人員介紹，2002年7月，一次雷擊時間超過了45分鐘。實際上，如果第一次雷擊使單模塊SPD打壞后，由于無法（也不允許）及時更換，那么后續雷擊到來時，只有將設備打爛了。因此在這些地區安裝帶有熱備份功能的SPD特別適用。
但缺點是這種方式無法做成模塊化結構，導軌式安裝，給替換帶來很大的不便。
采用機械聯動熱脫鉤模式，優點：因采用模數化設計，便于導軌安裝，容易替換。缺點：結構比較復雜，脫鉤裝置的熱容量與彈簧（或彈片）的配合不易掌握。
熱脫鉤裝置熱容量的計算符合焦耳定律
Q= R∫toi2d2式中：Q 發熱量 （J） R 雷電流通道電阻（Ω）
i雷電流（A） t 雷電留持續時間（s）
實際上，雷電流作用時間很短，散熱影響可以忽略，在電流通路上由電流引起的溫升（ΔT）為：ΔT=Q/Mc
式中：ΔT 溫升K
M 通過雷電流物體的質量 kg
c 通過雷電流的物體的比熱容 J/kg·K
因此要求熱脫鉤焊點、寬度、厚度以及熔點非常一致，才能保證熱脫鉤裝置動作的一致性，穩定性。
另外，兩片－四片ZnO模塊并聯使用時還是采用一套熱脫鉤裝置。因此只要有一片ZnO短路，熱脫鉤裝置立即動作，起不到熱備份作用。
新規范GB18802－2002對SPD熱脫鉤裝置的檢測分以下幾步：
1 在標稱通流容量In及Iimp（或Ipeak）、Imax沖擊下，SPD的熱脫鉤裝置不應動作。
2 在環境溫度為80℃±5K的加熱箱中保持24h，SPD的內部脫離器不應動作。
3 試品連接到工頻電源，電源電壓應足夠高，使SPD有電流流過，電流從2MA、5MA……1000MA的有效值或相應峰值，誤差±10％，試驗時連續檢測SPD最高表面溫度點（僅對易觸及的SPD）和流過SPD的電流可以通過初始試驗或進行多點監測以確定最高表面溫度點。
合格判斷標準為：
戶內型SPD試驗時表面溫度應總低于120℃，在脫離器動作后5Min，表面溫度應低于80℃。
戶外型SPD應沒有燃燒的痕跡或SPD的部件彈出的現象。
如果脫離器動作，SPD應有明顯、有效和永久斷開的跡象。
5、 結 論
執行GB18802.1－2002低壓配電系統的電涌保護器（SPD）標準，國內SPD生產廠家，應注意以下幾個問題：
1 國內ZnO閥片生產廠家應盡快改進工藝，提高國內ZnO閥片的質量，從ZnO的純度、粒度、添加劑配方、壓模、燒結、老化等工藝入手，保證ZnO閥片電氣性能的高度一致性。
2 SPD生產廠家，應提高ZnO閥片焊接水平，狠抓恒溫、恒濕、空氣凈化、真空灌注環氧樹脂等工藝水平的改進，保證ZnO閥片在后續加工中，不破壞原有的電氣性能，能經得起新規范規定的動作負載試驗，實測限制電壓及熱穩定性等多項動態測試的要求。
3 SPD生產廠家應加強熱脫鉤裝置的研究，這是涉及到安全生產的大事。目前SPD安裝日益普及，因SPD短路起火的故障事故時有發生，SPD生產廠家應引起高度重視。
參考文獻
1.中華人民共和國國家標準GB18802.1－2002低壓配電系統的電涌保護器（SPD）第1部分：性能要求和測試方法 烏盛鳴等編著
2.壓敏電阻器的應用手冊（第一版） 張南法編著
3.雷電原理 南京氣象學院 梅衛群等編著
