上海市防雷中心 蔡振新

　　摘 要 最近有关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，国家标准GB18802.1－2002已颁布，并且规定于2003年4月1日起执行。围绕着新规范的出台，国内一些专家，SPD的生产厂家，国内外经销商纷纷发表文章，提出自己的看法，有的赞成，有的反对。以作者之见，最大的问题还是国内目前还没有一家实验室，能够完全按GB18802.1－2002规范中式试验要求做一遍验标的试验。由于本人正在受中国气象局委托，在上海筹建国家级低压避雷器测试中心，现将本人学习新规范及这二年对国外先进国家SPD生产线考察的情况，结合GB18802.1－2002规范中几项重要的测试提醒国内SPD生产厂家应注意的几个问题。
　　关键词 执行、SPD生产厂、规范、注意几个问题

1、前 言

　　国家标准GB18802.1－2002“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”是完全等同采用IEC61643－1：1998 IDT国际标准 ，因此对国内各测试实验室，各生产厂家，经销商及防雷减灾的管理工作者都存在学习和消化的过程。

　　随着我国进入WTO，国外几十个SPD生产厂商进入我国市场，国内也有一百多个生产厂家生产SPD。由于过去测试标准不统一，测试方法不一致，生产工艺的先进和落后，因此目前市场上SPD良莠不齐，鱼目混珠，严重影响防雷工程的质量。新的国家标准采用了国际IEC先进的标准，学习、贯彻执行新标准是我们的当务之急。现将本人学习的一点体会供同行参考。

2、提高氧化锌（ZnO）阀片的加工工艺水平保证产品性能的一致性

　　新标准对产品的测试提出更严酷的条件，特别是实测限制电压、动作负载试验、热脱钩装置等，均在加载（交流220V或380V）的情况下，反复测试画出连续曲线，测得SPD的热稳定度、保护水平（Vp）等重要参数。因此特别是对SPD中的氧化锌阀片（MOV）的晶格和晶界层的稳定度，一致性要求比较高。ZnO压敏电阻的平均寿命时间（Ml）是符合阿仑尼斯（Arrhenivs）反应速率模型的，即平均寿命aMl（小时数）可表示成 Ml=eR/T·C
　　式中：R—常数，与材料和制造水平有关
　　C—常数，与加压比有关 Rap
　　T—绝对温度 K
　　氧化锌（ZnO）压敏电阻是由大量压敏单元串、并构成的集合体。压敏单元是一对互相直接接触的ZnO晶粒及其间的一对肖脱基势垒相当于两只背靠背连接的稳压二极管，因此压敏电阻的宏观性能是许多压敏单元性能的统计表现。
　　ZnO压敏电阻总势垒电压Un=n1×Vz=H/d0·Vz
　　式中 n1：压敏电阻沿厚度方向有n1个压敏单元串联
　　Vz：每一压敏单元的势垒电压
　　H：压敏电阻的厚度
　　d0：压敏单元晶粒立方体的边长
　　ZnO压敏电阻能承受的冲击电流
　　Ip=n2×ip=S/d02·ip
　　式中： n2：在电极面积S下有n2个压敏单元相并联
　　ip：每一压敏单元能承受的冲击电流
　　S：ZnO压敏单元的电极面积

　　由此可见，ZnO压敏电阻性能优劣与ZnO粉末的纯度、晶粒的大小、添加剂的配方、烧结的温度、老化水平、压模技术等都有非常密切的关系。如果我们还是像过去一样，仅仅测试几个静态参数，反映不了ZnO阀片的真实性能，因此新的国家标准提出了在更加严酷的条件下测试SPD的实测限制电压，动作负载试验及热脱钩装置等重要参数。这对提高我国SPD生产质量具有十分重要意义。国内生产厂商因通过新标准规定的这些测试，发现自己生产的产品与国外同类产品之间的不足之处，努力改进生产工艺，尽快达到国际先进水平，参与国内外的市场竞争。

3、提高氧化锌阀片的焊接技术

　　氧化锌阀片严格意义上也是一种新型的半导体器件，它对温度的敏感性非常强。美国、欧洲一些先进国家SPD的生产线、ZnO阀片的上锡、焊接完全在真空、恒温下进行的，因此能很好得保证ZnO阀片内部的晶格和晶界层免受破坏，从而保证ZnO阀片性能参数的一致性。压敏电阻技术规范中规定了85℃施加最大持续交流电压，试验1000h中没有劣化现象。
　　图⑵中曲线⑴表示，IR随时间单调上升。一开始慢一点，当试验到一定时间后上升速度明显加快。这种压敏电阻是不稳定的。曲线⑵表示，在开始阶段IR随时间上升，越过一个最高点后便稳定下降。曲线⑶表示，在1000h的全过程中IR随试验时间t都是上升的。如图⑶所示，在高温下在试验大约20小时后，IR时间t按下式规律上升
　　IR=IR0＋Ktn
　　式中： IR0和K是两个常数，n值大体在0.3－0.5之间。
　　目前国内一些厂家用大烙铁在大气环境下进行焊接，其缺点：
　　1 ZnO表面各点的温度无法均匀控制。
　　2 大气中含有对半导体器件有害的杂质，从而引起各种边缘效应。
　　大气中温、湿度无法控制，导致ZnO阀片界面处的晶界层受潮，介电常数发生改变，会对系统造成较大漏电流。有的ZnO阀片两面虽经过涂环氧粉末树脂，但通过不均匀加热焊接后，涂层发生破坏，失去原涂层具有的电击穿强度高，介质损耗小，吸水率小，机械性能强等优点，造成产品可靠性和一致性的严重下降。

4、高热脱钩装置技术安全性能

　　电源系统的过电压（流）保护器（SPD）的内部热脱钩装置是一个非常重要的部分，它是ZnO阀片一旦劣化短路时避免爆炸起火的关键措施。目前国际上大致有两种做法，一种是以美、英为主的多片氧化锌串、并联组成，每路采用热熔丝保护方法。另一种是以欧洲德国、法国为主的单模块或双模块并联，采用机械热脱钩的保护方法。两者比较各有利弊。热熔丝保护模式结构比较简单，没有复杂的机械联动机构，故障率低，并且有热备份功能，这对南方连续雷击时间在20－40分钟地区具有特别重要的实际意义。笔者到广东从化某单位考察，几家公司为他们做了防雷工程，国内外产品用了不少，但没有一家幸免于难。究其原因，一固然是从化地区年平均雷暴日在80天以上，周围丘陵地貌决定雷暴强度异常，再加上电源、信号线全部架空进入机房，没有经过穿金属管屏蔽。另一个主要原因是该地区连续雷击时间特别长。据工作人员介绍，2002年7月，一次雷击时间超过了45分钟。实际上，如果第一次雷击使单模块SPD打坏后，由于无法（也不允许）及时更换，那么后续雷击到来时，只有将设备打烂了。因此在这些地区安装带有热备份功能的SPD特别适用。
　　但缺点是这种方式无法做成模块化结构，导轨式安装，给替换带来很大的不便。
　　采用机械联动热脱钩模式，优点：因采用模数化设计，便于导轨安装，容易替换。缺点：结构比较复杂，脱钩装置的热容量与弹簧（或弹片）的配合不易掌握。
　　热脱钩装置热容量的计算符合焦耳定律
　　Q= R∫toi2d2式中：Q 发热量 （J） R 雷电流通道电阻（Ω）
　　i雷电流（A） t 雷电留持续时间（s）
　　实际上，雷电流作用时间很短，散热影响可以忽略，在电流通路上由电流引起的温升（ΔT）为：ΔT=Q/Mc
　　式中：ΔT 温升K
　　M 通过雷电流物体的质量 kg
　　c 通过雷电流的物体的比热容 J/kg·K
　　因此要求热脱钩焊点、宽度、厚度以及熔点非常一致，才能保证热脱钩装置动作的一致性，稳定性。
　　另外，两片－四片ZnO模块并联使用时还是采用一套热脱钩装置。因此只要有一片ZnO短路，热脱钩装置立即动作，起不到热备份作用。
　　新规范GB18802－2002对SPD热脱钩装置的检测分以下几步：
　　1 在标称通流容量In及Iimp（或Ipeak）、Imax冲击下，SPD的热脱钩装置不应动作。
　　2 在环境温度为80℃±5K的加热箱中保持24h，SPD的内部脱离器不应动作。
　　3 试品连接到工频电源，电源电压应足够高，使SPD有电流流过，电流从2MA、5MA……1000MA的有效值或相应峰值，误差±10％，试验时连续检测SPD最高表面温度点（仅对易触及的SPD）和流过SPD的电流可以通过初始试验或进行多点监测以确定最高表面温度点。
　　合格判断标准为：
　　户内型SPD试验时表面温度应总低于120℃，在脱离器动作后5Min，表面温度应低于80℃。
　　户外型SPD应没有燃烧的痕迹或SPD的部件弹出的现象。
　　如果脱离器动作，SPD应有明显、有效和永久断开的迹象。

5、 结 论
　　执行GB18802.1－2002低压配电系统的电涌保护器（SPD）标准，国内SPD生产厂家，应注意以下几个问题：
　　1 国内ZnO阀片生产厂家应尽快改进工艺，提高国内ZnO阀片的质量，从ZnO的纯度、粒度、添加剂配方、压模、烧结、老化等工艺入手，保证ZnO阀片电气性能的高度一致性。
　　2 SPD生产厂家，应提高ZnO阀片焊接水平，狠抓恒温、恒湿、空气净化、真空灌注环氧树脂等工艺水平的改进，保证ZnO阀片在后续加工中，不破坏原有的电气性能，能经得起新规范规定的动作负载试验，实测限制电压及热稳定性等多项动态测试的要求。
　　3 SPD生产厂家应加强热脱钩装置的研究，这是涉及到安全生产的大事。目前SPD安装日益普及，因SPD短路起火的故障事故时有发生，SPD生产厂家应引起高度重视。

参考文献
　　1.中华人民共和国国家标准GB18802.1－2002低压配电系统的电涌保护器（SPD）第1部分：性能要求和测试方法 乌盛鸣等编著
　　2.压敏电阻器的应用手册（第一版） 张南法编著
　　3.雷电原理 南京气象学院 梅卫群等编著