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1、第四届中国国际防雷论坛论文摘编 P r o c e e d i n go nI n t e r n a t i o n a lL i g h t n i n gC o n f e r e n c ei nC h i n a ( I L C C ) 关于S P D 的三个技术课题的讨论 AD i s c u s s i o no nT h r e eT o p i c sC o n c e r n i n gS P D 张南法Z h a n gN a n f a l 束静S h uJ i n 9 1 喻军2 Y uJ u n ( 1 常州市创捷防雷电子有限公司，常州2 1 3 0 1 6 ) (
2、 2 上海攀源电气科技有限公司，上海2 0 0 0 0 6 ) 近十多年来，低压浪涌保护器( S P D ) 的技术和市场发展得很快，实践中提出了很多技术课题， 这些课题的解决，对于保证S P D 沿着正确的技术方向发展，从而实现全社会以最少的投入，获取最 大的防雷减灾收益的目标，无疑是有重要意义的。本文讨论其中的三个课题，它们是：S P D 的I 级 试验电流，8 2 0 和1 0 3 5 0 电流的等效变换，M O V 型S P D 的阻抗和限制电压测量。 1 S P D 的I 级试验电流 I E 6 1 6 4 3 1 第2 版的“引言”，S P D 的“I 级试验旨在模拟有一部分雷电流
3、( 直接) 侵入的情 况。符合I 级试验要求的S P D 通常被推荐用于( 雷电冲击的) 高暴露地点，例如，有雷电防护系统保 护的建筑物供电线路的入口处”。 由于该标准只对I 级试验电流提出了参数要求，没有具体指明冲击电流电压的波形，因此难 以实际执行。目前，无论是国内还是国外，实际上都采用1 0 3 5 0 电流波作为I 级试验电流。我们认 为，以1 0 3 5 0 电流作为I 级试验电流，并不是最合适的，因为： ( 1 ) 1 0 3 5 0 电流波的上升陡度d i d t 太小，远远小于自然界中绝大多数雷电流的实际升速， 因此不符合I 级试验“模拟有一部分雷电流( 直接) 侵入”的目的。
4、自然界中雷电流的d i d t 见表 1 的统计资料 1 ： 表1雷电流到达峰点的时间和上升速率( d i d t ) ( 累积概率曲线的中值5 0 点的数值) 雷电放电类型到达峰点的时间上升速率( d i d t ) 第一负闪击 5 5 p s 1 2 k A s 随后负闪击 1 1 p s 4 0 k A p s 正闪击 2 2 | l s 2 4k A p s 表1 中正闪击到达峰点的时间较长，上升速率( d i d t ) 较小，但正闪击在全部雷电放电中的比 例很小( 例如不到2 0 ) ，自然界的绝大部分雷电放电是负闪击，因此应当按负闪击的( d i d t ) 进行 试验。 由于雷
5、电流对电子和电器的作用应力取决于三个主要因子，即电流峰值，陡度( d i d t ) 和能 量，因此不能忽视陡度( d i d t ) 的作用。大的( d i d t ) 将在S P D 安装时难以避免的接线电感上，以及 变压器绕组等上面产生高电压；可控硅等电子元器件对( d i d t ) 很敏感；无论是电压限制型，还是 电压开关型S P D ，它们的限制电压都会随着( d i d t ) 的增大而上升。正因为这个原因，电力避雷器 技术标准( I E C 6 1 0 0 9 9 4 ) 中有“陡波电流”( 视在波前时间0 9 p s - I 1 p s ) 和测试陡波残压的规定， 所以说，I
6、 E C 6 1 6 4 3 - I 第2 版允许I 级试验电流的波前时间5 0 1 a S ，是与I 级试验的宗旨不相符合的。 ( 2 ) 1 0 3 5 0 电流波的作用时间，若按其3 倍时间常数来计算，只有1 5 m s ( 3 X O 4 8 5 - - - - - 1 4 6 m s ) ， 与I 级试验电流要求的“l O m s 以内”差距太大。 ( 3 ) 采用C r o w b a r 技术的1 0 3 5 0 电流波发生器工作电压太高，费用太大，难以推广。此外由于 1 0 3 5 0 波的等效基波频率与工频很接近，因此进行动作负载试验时，将1 0 3 5 0 发生器与工频电
7、六、防雷产品开发、测试与应用 D e v e l o p m e n t a n d A p p l i c a t i o n o f P r o d u c t s a n d T e s t i n g I n s t r u m e n t s f o r L i g h t n i n g P r o t e c t i o n 源隔离开来的去耦滤波很难做。 既然1 0 3 5 0 电流波不是进行S P DI 级试验的理想波形，那么用什么波更好呢? 我们建议采用 美国军标M I L S T D 一4 6 4 A 中的“多重闪击( M u l t i p t eS t r o k eF
8、 l a s h ) 试验电流”来作为S P D 的I 级 试验电流。该标准中的多重闪击试验包括1 4 次冲击，第一次的峰值为I 。k I ，以后各次为0 5I 。b ， 间隔时间( 1 0 2 0 0 ) m s ， 波形方程见( 1 3 ) 式，它大体可看成5 3 0uS 单极性波。 f ( f ) = I o 也2 7 鼢一e - 1 2 9 4 5 3 0 t ) ( 1 1 ) 式中时间t 的单位为秒。这个电流波的电荷量与电流峰值的关系为： Q ( A S ) 0 0 2 7 5 I 。吐( K A )( 1 2 ) 如用这样的电流脉冲来实现S P DI 级试验所要求的l O m s
9、 内的电荷量，可以用峰值为I 。的 5 3 0 电流波冲击1 8 次，或者以峰值为I 础的5 3 0 波冲击一次，再以峰值为0 5 I 啡的5 3 0 波冲 击3 4 次，各次冲击之间的间隔时间使它们在l O m s 时间内等距排列。 采用“多重闪击”试验电流作为S P DI 级试验电流的优点是： ( 1 ) 它的特性，即电流峰值，电流升速( d i d t ) ，和能量三个因子，更接近于自然界中绝大多 数雷电流的特性，体现了“模拟有一部分雷电流( 直接) 侵入”的宗旨，何况，自然界中的多数雷 击放电本来就是“多重闪击”放电。 ( 2 ) 它能符合现行标准I E C 6 1 6 4 3 - 1
10、 对I 级试验电流的要求。 ( 3 ) 试验设备比1 0 3 5 0 发生器简单，容易实现。 2 8 2 0 和Z 0 3 5 0 电流的等效变换 所谓8 2 0 和1 0 3 5 0 电流的等效变换，指的是回答“峰值为x k A 的1 0 3 5 0 电流，相当于 峰值为多少k A 的8 2 0 电流? ”。目前对这个问题有多种解答，例如： 术G B 5 0 3 4 3 2 0 0 4 条文说明，第5 4 1 条款说，在单位能量相同的条件下，8 2 0 电流的峰值I ( 2 0 ) 与 1 0 3 5 0 电流的峰值I ( 3 5 0 ) 的比例关系为： - _ - - _ - _ - _
11、- _ - _ _ _ - - _ _ _ - - _ 一 I ( 2 0 ) i ( 3 5 0 ) = 4 3 5 0 2 0 丝4 1 8( 2 1 ) 因此该标准的表5 4 1 2 取8 2 0 电流峰值为1 0 3 5 0 的4 倍。 木参考资料 3 ：“1 0 3 5 0 uS 波形冲击电流波的能量相当于2 0 倍左右同等幅值8 2 0 p s 波形冲击 电流波的能量”。 木参考资料 4 认为，I ( 3 5 0 ) 折算成I ( 2 0 ) 时应乘以“1 7 5 ”( 注：3 5 0 2 0 = 1 7 5 ) 。 以上几种答案，都是以“能量相等标准”来判断两种电流的等效性的，也
12、就是说如果峰值为 I p ( 2 0 ) 的8 2 0 电流，与峰值为I p ( 3 5 0 ) 的1 0 3 5 0 电流，在同一器件中产生的能量相等，则认为 I p ( 2 0 ) 与I p ( 3 5 0 ) 等效。下面先来讨论“能量相等标准”。 当一定波形的电流i ( t ) 流入某个器件时，若它两端的电压为u ( t ) ，则它所吸收的能量W 为： W = If ( f ) “( f ) d t ( 2 2 ) W 由于乘积 f ( f ) H ( f ) 等于瞬时功率P ( t ) ，于是： W = 【p ( f ) d t ( 2 3 ) 在i ( t ) 一定的条件下，u (
13、t ) 是由器件本身的阻抗特性决定的，即器件的功率和能量是由电流 波形方程( 外因) 和器件特性( 内因) 共同决定的。因此，在应用能量相等标准来判定两种电流的等 效性时，应当首先查明器件的伏安特性。就S P D 中的大多数器件而言，伏安特性分为三种类型：稳 压特性，线性电阻特性和限压特性。设这些器件在电流1 1 和1 2 时的功率分别为P l 和P 2 ，则有： 第四届中国国际防雷论坛论文摘编 塑2 1 1 望! 竖2 呈! 里堡翌型! 翌型竺星! 坐! 竖竺唑堡翌! ! 垫竺垒! 翌! 堡竺Q 瓦5 ( 瓦) “ ( 2 4 ) 式中，指数n = 1 ，代表稳压特性： n = 2 ，代表线
14、性电阻特性： i 1 = 1 + ( 1 a ) ，代表限压特性( C t 1 ，故n 在1 2 之间) 。 C t 称为限压特性器件的“非线性指数”，若器件在电流I l 和1 2 时的电压分别为u 1 和u 2 ，则有： 旦= ( 马口 a=丽Log(1112)12 U 2 ( 2 5 ) 、 L D 定( U 1 ，U 2 ) 。 将8 2 0 和1 0 3 5 0 两种电流的波形方程代入( 2 2 ) 一( 2 5 ) 式，可以求出三种不同伏安特性的器件， 在能量相等条件下的电流峰值比。 对于l O 3 5 0 电流波，I E C 6 1 3 1 2 近似地把它看成是一个简单的指数衰减电
15、流f ( f ) ： f ( f ) = I pe x p ( 一t T ) ( T = 4 8 5 S ) ( 2 6 ) 对于8 2 0 电流波，I E E EC 6 2 4 1 1 9 9 1 给出的电流波f ( f ) 的表达式为： f ( f ) = A 印t 3 e x p ( - t 万) A = 0 0 1 2 4 3 ( 1 aS ) - 3 9t = 3 9 1 1l as ( 2 7 ) 利用上述关系计算出的l O 3 5 0 和8 2 0 两种电流，在器件中产生相同能量时的电流峰值比为： ：l = 对于理想稳压特性器件，I p ( 2 0 ) I p ( 3 5 0 ) = 2 8 6 5 ； 术对于线性电阻器件，I p ( 2 0 ) I p ( 3 5 0 ) = 4 5 3 ； ：I ：对于限压特性器件，I p ( 2 0 ) I p ( 3 5 0 ) = ( 4 5 3 2 8 6 5 ) ，且随“非线性指数”Q 而变，见表2 。 表2 ，电流8 2 0 和1 0 3 5 0 在压敏电阻器中产生相同的能量时的峰值比 f 非线性指数a 3456781 01 2 I p ( 2 0 ) I p ( 3 5 0 ) 1 2 9
