限壓型浪涌保護(hù)器動(dòng)作負(fù)載測(cè)試研究

2021-11-20 · 閱讀337

1概述

浪涌保護(hù)器內(nèi)主要元器件為壓敏電阻,近年來(lái),浪涌保護(hù)器起火事故引起了防雷行業(yè)的高度重視,目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)SPD產(chǎn)品質(zhì)量基于《低壓電涌保護(hù)器( SPD)》(GB/T 18802. 1-2011)標(biāo)準(zhǔn)，且不能夠適應(yīng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61643- 11-2011,提高SPD產(chǎn)品性能和標(biāo)準(zhǔn)迫在眉睫。已經(jīng)送審的GB/T 18802. 11標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步明確了負(fù)載側(cè)功率特性動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)及功率特性的產(chǎn)品標(biāo)識(shí)。很顯然, GB/T 18802. 11更加重視和強(qiáng)化了浪涌保護(hù)器在工作狀態(tài)(有標(biāo)識(shí)下的額定負(fù)載電流/功率的狀態(tài))下對(duì)電涌保護(hù)器的保護(hù)特性,要求在負(fù)載端安裝的電涌保護(hù)器必須標(biāo)明標(biāo)稱(chēng)擬定被保護(hù)的負(fù)載工作電流。為了配合新標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施,本文依托“低壓電涌保護(hù)器(鉗壓型)動(dòng)作負(fù)載研究"科研課題,做一些相關(guān)試驗(yàn)研究。

2低壓配電浪涌保護(hù)器故障起火機(jī)理

氧化鋅變阻器類(lèi)電壓限制型低壓配電浪涌保護(hù)器起火的原因很多,其中包括:動(dòng)作負(fù)載的著火故障、單相接地過(guò)電壓起火故障、高低壓共地耦合轉(zhuǎn)移過(guò)電壓起火故障、失零過(guò)電壓起火故障、雷擊續(xù)流起火故障及相電壓相續(xù)高壓故障等。國(guó)內(nèi)外及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中要求電壓限制型低壓配電浪涌保護(hù)器安裝后備過(guò)流保護(hù)裝置,目的是當(dāng)電壓限制型低壓配電浪涌保護(hù)器出現(xiàn)起火短路故障時(shí),保護(hù)裝置能夠迅速切斷電路,避免保護(hù)開(kāi)關(guān)出現(xiàn)越級(jí)脫扣,造成電源系統(tǒng)大面積斷電。另外一個(gè)作用是防止電源系統(tǒng)出現(xiàn)電壓異常升高導(dǎo)致電壓限制型低壓配電浪涌保護(hù)器啟動(dòng)流人工頻電流起火。很遺憾目前所有的斷路設(shè)備(各種斷路器熔斷器)均在電壓限制型低壓配電浪涌保護(hù)器起火時(shí)無(wú)法斷開(kāi),因?yàn)殡妷合拗菩偷蛪号潆娎擞勘Ｗo(hù)器起火時(shí)起始保護(hù)器故障電流較小而達(dá)不到斷路裝置的工作電流,造成氧化鋅變阻器類(lèi)電壓限制型低壓配電浪涌保護(hù)器起火。

3試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析

3.1試驗(yàn)?zāi)康?

氧化鋅變阻器類(lèi)電壓限制型浪涌保護(hù)器，需在浪涌保護(hù)器最大持續(xù)工作電壓下施加擬定被保護(hù)負(fù)載的功率(通常以負(fù)載工作電流為代表) ,安裝工頻電流/電壓的正弦波設(shè)定的角度下實(shí)施模擬雷電流沖擊實(shí)驗(yàn)，觀察浪涌保護(hù)器的各種系統(tǒng)工作狀態(tài),用以確定是否發(fā)生續(xù)流下的著火現(xiàn)象，測(cè)試目前國(guó)內(nèi)SPD產(chǎn)品在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)送審的新標(biāo)準(zhǔn)下的實(shí)驗(yàn)性能和質(zhì)量情況。

3.2試驗(yàn)依據(jù)

試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn):(1)《低壓電涌保護(hù)器(SPD)第11部分:低壓配電系統(tǒng)電涌保護(hù)器性能要求和試驗(yàn)方法》(EC 61643-11-2011);(2)《低壓電涌保護(hù)器(SPD)第11部分:低壓配電系統(tǒng)電涌保護(hù)器性能要求和試驗(yàn)方法》( GB/T 18802.11-20x x)送審稿;(3)《低壓電涌保護(hù)器(SPD)第1部分:低壓配電系統(tǒng)電涌保護(hù)器性能要求和試驗(yàn)方法》(GB/T 18802.1-2011)。

3.3試驗(yàn)流程（見(jiàn)下圖）

3.4試驗(yàn)數(shù) 據(jù)及分析

試驗(yàn)試品為市場(chǎng)采購(gòu)品,分10組進(jìn)行試驗(yàn)，每組3只樣品。試驗(yàn)設(shè)備包括三進(jìn)單出大功率隔離變壓器,1500A交流負(fù)載柜,模擬雷擊電流發(fā)生器,動(dòng)作負(fù)載測(cè)試系統(tǒng),高溫試驗(yàn)設(shè)備,分壓器、分流器等其他輔助試驗(yàn)設(shè)備。

3.4.1試品第一次Up前期預(yù)測(cè)試驗(yàn)循環(huán)試驗(yàn)

對(duì)每只浪涌保護(hù)器進(jìn)行20 kA(8/20)三次沖擊，然后對(duì)試品的Up進(jìn)行測(cè)試，掌握試品試驗(yàn)前的初始電壓保護(hù)水平Up。將所得數(shù)據(jù)做Up -沖擊電流In坐標(biāo)圖(kV -kA),如圖2所示，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn):坐標(biāo)點(diǎn)分布在斜率為0.272kV/kA,垂直寬為0.42kV,而且上沿經(jīng)過(guò).(18.5 kA,1.32 kV )坐標(biāo)點(diǎn)，下沿經(jīng)過(guò)(18.5 kA,0.9 kV)坐標(biāo)點(diǎn)的向上傾斜的通道內(nèi);為了后面的分析對(duì)比,我們定義這個(gè)通道為初始狀態(tài)通道,并記下通道位置;為了過(guò)濾掉試驗(yàn)沖擊電流In的波動(dòng)對(duì)Up的影響,我們引入了Up/In這一參數(shù),根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算,得到預(yù)計(jì)Up與沖擊電流In的初始比值為:(Up/In)0 =0.078 0 kV/kA。.

3.4.2試品系統(tǒng)Uc預(yù)測(cè)試驗(yàn)

系統(tǒng)Uc預(yù)測(cè)試驗(yàn)是將試品兩端加上Uc,在烘箱85°溫度環(huán)境48h老化,使試品內(nèi)部形成的結(jié)構(gòu)更加牢固穩(wěn)定,逐漸使其理化性能、電氣學(xué)特性更加趨于穩(wěn)定和正常;老化試驗(yàn)后隨即測(cè)量參考Up值。將所得數(shù)據(jù)做Up沖擊電流In坐標(biāo)圖(kV -kA),并疊加上一步驟所得初始狀態(tài)通道，如圖3所示。

對(duì)圖3進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)一部分落點(diǎn)向通道上沿移動(dòng),有的超過(guò)了上沿，大部分保持在第一次 Up前期預(yù)測(cè)試驗(yàn)的落點(diǎn)區(qū)域內(nèi),少部分向下移動(dòng)分散，(Up/In); =0.079 8 kV/kA。雖然這只是試驗(yàn)過(guò)程的中間環(huán)節(jié),但可以說(shuō)明,我們?cè)谑袌?chǎng)上隨機(jī)采購(gòu)的試品質(zhì)量是參差不齊的。

3.4.3試品第二次Up預(yù)測(cè)試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn), 對(duì)冷卻后每只浪涌保護(hù)器試品進(jìn)行3次20 kA (8/ 20)電流沖擊,測(cè)試Up。將所得數(shù)據(jù)做Up沖擊電流In坐標(biāo)圖(kV -kA),疊加初始狀態(tài)通道,如圖4所示。

從圖4可知,落點(diǎn)分布與上一試驗(yàn)圖(系統(tǒng)Uc預(yù)測(cè)試驗(yàn)圖)相似，沒(méi)有大的變化,( Up/In)2 =0.081 1 kV/kA。

3.4.4初始In沖擊電流試驗(yàn)

對(duì)冷卻至室溫后的試品進(jìn)行In20 kA(8/20)下的雷擊電流沖擊,正反極性各5次,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施試驗(yàn)冷卻間歇;試驗(yàn)結(jié)果:所有試品均未見(jiàn)異常。

3.4.5試品Imax沖擊電流試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試品進(jìn)行Imax下的雷擊電流沖擊，正反極性各一次， 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施試驗(yàn)冷卻間歇。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出,有4只浪涌保護(hù)器試品內(nèi)部脫扣。

3.4.6試品第三次Up測(cè)試試驗(yàn)

試品冷卻至室溫后,進(jìn)行In20 kA(8/20) 下的雷擊電流沖擊,將所得數(shù)據(jù)做Up沖擊電流In坐標(biāo)圖(kV -kA)，并疊加初始狀態(tài)通道,如圖5所示。

圖5中顯示，除了4只脫扣試品,其余試品Up值均未有明顯的變化，落點(diǎn)仍在初始通道內(nèi)，其電氣性能未受損壞,(Up/In); =0. 0827 kV/ kA;[ ( Up/In)(Up/ In)2]/(Up/ In)3* %o =1.9%， 可見(jiàn),(Up/In)變化率只有1. 9%，很小。

3.4.7 試品初始5A預(yù)處理試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)要求，在試品兩端施加Ue電壓,輸出功率為5A負(fù)載。在Ue正弦波的30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、2400、270°、300°、330°、360實(shí)施In下的電流沖擊，觀察動(dòng)作負(fù)載情況,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施試驗(yàn)冷卻間歇。試品全部通過(guò)測(cè)試。

3.4.8 300A動(dòng)作負(fù)載循環(huán)試驗(yàn)

試品冷卻至室溫后,在兩端施加Uc電壓，輸出功率為300A負(fù)載。在Uc正弦波的30、60°、90、120°、1509、1802100、2409、27093002、 330°、3609實(shí)施In'下的電流沖擊，觀察動(dòng)作負(fù)載情況，依據(jù)標(biāo).準(zhǔn)實(shí)施試驗(yàn)冷卻間歇。數(shù)據(jù)結(jié)果:試品全部通過(guò)測(cè)試。

3.4.9 1500A動(dòng)作負(fù)載循環(huán)試驗(yàn)

試品冷卻至室溫后,在兩端施加Uc電壓，輸出功率為1500A負(fù)載。在Uc正弦波的30、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240° 2709、300°、330°、360°實(shí)施In下的電流沖擊，觀察動(dòng)作負(fù)載情況，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施試驗(yàn)冷卻間歇。數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，有11只浪涌保護(hù)器試品損壞起火，僅15只浪涌保護(hù)器試品通過(guò)了試驗(yàn)。

3.4.10試品第四次Up測(cè)試試驗(yàn)

冷卻至室溫后,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試品進(jìn)行三次In20 kA(8/20)下的雷擊電流沖擊,讀取Up值,做Up沖擊電流In坐標(biāo)圖(kV -kA)，并疊加初始狀態(tài)通道，如圖6所示。
有11只試品未通過(guò)1500A動(dòng)作負(fù)載循環(huán)試驗(yàn);15只試品通過(guò)了全部測(cè)試。通過(guò)測(cè)試的15只試品,其Up在Up沖擊電流In坐標(biāo)圖(kV -kA)上的落點(diǎn)，一部分略有向上的變化，

( Up/In)4 =
O.083 4 kV/kA。
(Up/In)4 -(Up/In)1 =0. 083 4 kV/kA-
0.079 8 kV/kA=0.003 6 kV/kA
[ (Up/In)4-(Up/In){]/(Up/In)4 =4.3%
Up波動(dòng)率4.3%，在可接受的范圍內(nèi)。

3.4.11典型 波形分析

從圖7a可以看到線(xiàn)路波形在沖擊前保持負(fù)載電壓的正弦波形,沖擊時(shí)SPD短路著火,線(xiàn)路電壓歸零，波形是接近零軸的直線(xiàn);從圖7b可以看出，沖擊后浪涌保護(hù)器自恢復(fù)性能良好，線(xiàn)路電壓波形恢復(fù)為負(fù)載電壓波形;從圖7c可以看出,沖擊后浪涌保護(hù)器自恢復(fù)性能良好，線(xiàn)路電壓波形恢復(fù)為負(fù)載電壓波形。

4試驗(yàn)總結(jié)

在工頻1500 A動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)中，損壞著火均出現(xiàn)在0 ~90°工頻角和180° ~270工頻角，拆開(kāi)損壞的浪涌保護(hù)器試品，發(fā)現(xiàn)著火多數(shù)存在4個(gè)邊角著火，也存在4個(gè)角著火。在通過(guò)1500A工頻動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)的產(chǎn)品中,也有6只脫扣未著火，拆開(kāi)后發(fā)現(xiàn)MOV芯片有工頻電流通過(guò)的微小痕跡，內(nèi)部脫扣裝置實(shí)現(xiàn)了負(fù)載電流的阻攔，浪涌保護(hù)器與負(fù)載電源脫離未發(fā)生著火。存在差異的原因，是由于試品的制作工藝、技術(shù)及配方的差異形成的。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出,一部分試品通過(guò)了試驗(yàn)，而另一部分試品出現(xiàn)了著火損壞。低溫焊錫絲、溫度軟金屬、拉力彈簀的彈性系數(shù)、合金彈片的物理構(gòu)成與彈性系數(shù)與負(fù)載電流的關(guān)系等都是影響動(dòng)作負(fù)載浪涌保護(hù)器脫扣的原因。

通過(guò)試驗(yàn),驗(yàn)證了在一定的負(fù)載電流條件下，雷電沖擊配電系統(tǒng)，可以造成負(fù)載電流通過(guò)配電系統(tǒng)浪涌保護(hù)器短路，引起起火，而內(nèi)部脫扣裝置正常動(dòng)作切斷負(fù)載電流則能夠避免著火。

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