不同接线模式下多级SPD冲击试验结果对比分析

付宗见

（郑州铁路职业技术学院，郑州 451460）

0 引言

近年来，防护意识的加强和防雷技术的发展使人们对过电压的防护越来越重视。然而电器电子设备的过电压耐受能力仍旧没有得到提高。而过电压防护主要是依靠电涌保护器来实现的。电涌保护器主要是通过以并联或串联在被保护电子设备两端，利用其中的非线性元件泄放过电流和限制过电压对被保护电子设备进行保护[1]。由此可知，在SPD中的非线性元件是过电压防护的关键。由于非线性元件的过电压耐受特性又有各自特点，因此导致了传统的模块式电涌保护器存在使用寿命不够长、漏电流偏大、动作不稳定等缺陷[2]。

李清泉等[3]利用波过程的理论，分析了ZnO压敏电阻和TVS在二级配合试验中的能量传输情况，并将行波理论很好的运用在了组合型浪涌保护电路中的冲击反应过程。李庆君等[4]从理论分析的角度对低压配电系统中的多级电涌保护器之间的能量配合作了分析。李祥超等[5]人研究了气体放电管与压敏电阻的能量配合，研究表明，气体放电管与压敏电阻级联时，在冲击电压相同的情况下，连接导线越长，压敏电阻的电流分比越小，能量配合效果越好。

笔者利用实际冲击平台，用1.2/50 μs、8/20 μs组合波对多级SPD进行实际冲击研究，主要研究其不同接线模式下限制电压以及残压、通流量的变化情况。研究结果对实际的防雷工程设计提供一定的科学指导意义。

1 多级SPD的基本概述

不同结构的浪涌保护器的保护性能还是存在较大差异，保证维持放电电压或交流电源电压幅值高于直流电源电压，设计应用中就不会在泄放过电压后产生续流[6]。但是，在电弧区仍然有产生续流的可能，这可以利用压敏电阻等器件来帮助解决。而薛红兵等[7]研究表明，暂态过电压作用于气体放电管时，在一个延迟时间之后才会开始放电。当气体放电管与压敏电阻组合使用时，这一响应特性也成为了使用退耦元件来改善其放电性能的依据之一。此外，各非线性元器件的响应时间不同，导致了SPD动作时间的差异，如果可以使气体放电管、ZnO压敏电阻、TVS三者的配合，可以在一定程度上使气体放电管的响应速度更加迅速。

利用气体放电管、ZnO压敏电阻、TVS和退耦元件组成了如图1所示的内部电路结构。在该结构下，制成的多级SPD如果通过计算使其能量配合合理，理想状态下应该是残压低，工频续流小，无泄漏电流，性能稳定。

图1 多级SPD内部电路结构Fig.1 Multi stage SPD internal circuit structure

2 元件参数计算

按照 GB18802.1—2011 中对 1.2/50 μs、8/20 μs组合波冲击测试的规定，同时考虑实际试验中使用的各器件的特性。本次冲击实验中第3级保护中使用瞬态抑制二级管的额定最高工作电压（UWM）必须高于被保护电路的正常工作电压，但低于被保护电路的可承受极限电压[8]。因此它至少应该为39.6 V，即在36 V基础上再加直流电源有±10%的电压波动。考虑到实际试验中使用的1.5KE系列TVS中额定最高工作电压UWM最接近39.6 V的TVS的UWM为48 V，因此在仿真中TVS的UWM也取为48 V。

对于2级保护中的ZnO压敏电阻仿真参数来说，当直流或交流电压高于ZnO压敏电阻两端的标称电压时，就会缩短其使用寿命。因此，其两端的电压值必须要低于最大持续工作电压UC。而压敏电压值U1mA应大于实际电路的电压值，一般应使用式（1）对ZnO压敏电阻进行选择[9]。

根据式（1）中各参数，可计算出ZnO压敏电阻的电压值为54.4 V。

对于第一级保护中所用的气体放电管，一般选用经验法选择。要求其直流放电电压的下限值必须大于线路正常运行电压的峰值，满足以下经验公式：

式中：Uoc为直流放电电压；min（Uoc）为直流放电电压的下限值；Up为线路正常运行的电压峰值；系数1.15是考虑到系统运行电压最大允许波动为15%；系数1.25是在线路运行电压波动的基础上再追加25%的安全裕度[10]。

除了以上对各元件的单独分析之外，还要考虑它们之间的能量配合，所以要在各元件之间加装退耦元件。对退耦元件的电感值大小应满足以下公式：

式中：Lmin为退耦电感的最小值；Ures1为后级电路中的总残压值；Ures2为气体放电管的直流放电电压Uoc，di为dt时间内流过退耦电感的电流最大值[11-12]。

3 多级SPD实际冲击试验

3.1 限制电压冲击试验

由于多级SPD中存在开关元件，因此根据GB 18802.1—2011对其进行限制电压冲击试验。利用1.2/50 μs开路电压波波形发生器分别对多级SPD线-线模式和线-地模式限制电压进行冲击试验。实验前，将冲击电压设置为500 V，对该模式下多级SPD进行正负极性冲击各5次，在输出端，即多级SPD的末级，利用电压探头测量限制电压波形，并用Tektronix TDS 2022B示波器记录波形。线-地模式和线线模式共进行两组实验，为了使试品冷却到试问每次冲击间隔3 min。根据记录的波形得到的最大峰值电压，做出图2所示的线-地模式和线-线模式的限制电压变化。

图2 限制电压变化Fig.2 Limiting voltage change

从图中可看出：在500 V、1.2/50 μs开路电压波冲击下，线-地之间限制电压保持在450 V左右，线-线之间的限制电压可维持在40 V左右。从实验结果中可看出，多级SPD通过第一级气体放电管的电流泄放后两级的对电压箝位作用，可将电压限制在一个较低的水平，从而保护后级设备能够正常运行。

3.2 组合波冲击试验

采用1.2/50 μs、8/20 μs组合波对SPD进行实际的冲击试验，根据试验中线-地模式记录的20组数据和线-线模式所记录的40组数据，利用Origin拟合出实际冲击中的通流容量与残压曲线，见图3。

从图中可看到，线-地模式和线-线模式下实际冲击试验中的残压总体相差不大，都是随着冲击电压的升高呈上升趋势，其中在冲击电压较小时，曲线陡度较大，随着冲击电压升高，曲线逐渐趋于平缓，线-地模式下，残压在冲击电压超过5.5 kV后维持在42 V左右，线-线模式下，在冲击电压超过1.2 kV后也在42 V左右。同时，两种模式下的通流容量尽管都随着冲击电压的升高呈上升趋势，但在同等冲击电压下，通流容量差异却很大。线-地模式下，实际冲击试验的通流通流容量在3 kA上下浮动，线-线模式下的最大通流容量则在600 A左右。

此外，在线-线模式的曲线中可以明显看出，当冲击电压为0.45 kV左右时，其残压和通流容量均有一个突变，这说明气体放电管在此时处于深度导通状态，即电阻最小的状态。在实验过程中，可以明显看出在相同冲击电压下，多级SPD的响应时间比单个气体放电管的响应时间要短。

在实验中，还得到了典型的残压、通流冲击波形，见图4。由于触发时，杂波干扰较大，因此在观察该类波形时，只看触发稳定后的波形及幅值变化。

图3 组合波冲击下通流容量与残压曲线Fig.3 Curve of flow capacity and residual voltage under combined wave impulse

4 结论

通过对多级SPD的电路进行限制电压冲击试验、组合波冲击试验研究，可得到以下结论：

1）在500 V、1.2/50 μs开路电压波冲击下，线-地之间限制电压保持在450 V左右，线-线之间的限制电压可以维持在40 V左右。

2）在组合波冲击实验下，线-地模式和线-线模式下，实际冲击试验中的残压总体相差不大，都是随着冲击电压的升高呈上升趋势，其中在冲击电压较小时，曲线陡度较大，随着冲击电压升高，曲线逐渐趋于平缓，线-地模式下，残压在冲击电压超过5.5 kV后维持在42 V左右，线-线模式下，在冲击电压超过1.2 kV后也在42 V左右。同时，两种模式下的通流容量尽管都随着冲击电压的升高呈上升趋势，但在同等冲击电压下，通流容量差异却很大。

图4 组合波冲击试验波形Fig.4 Combined wave impulse test waveform

3）各级浪涌保护器件之间能量配合合适的情况下，多级SPD不仅可以使保护水平得到增强，还缩短了响应时间，使其动作更加灵敏，在实际中，应用于低压电源供电系统中可靠性较强，具有一定的工程应用价值。

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