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1、电源 SPD 老化劣化测试1SPD1.1 SPD 的概念浪涌保护器（ SPD ），也叫防雷器，是一种为各种电子设备、仪器仪表、通讯线 路提供安全防护的电子装置。 当电气回路或者中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或 者时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损 害。SPD 是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，其作用是把窜入电力线、信号 传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内， 或将强大的雷电流泄 流入地，保护被保护的设备或系统不受冲击。1.2 SPD的基本特点（1 ）保护通流量大，残压极低，响应时间快；（2）采用最新灭弧技术，彻底避免火灾；（3）采
2、用温控保护电路，内置热保护；（4）带有电源状态指示，指示浪涌保护器工作状态；（5）结构严谨，工作稳定可靠。1.3 SPD的基本元器件1 ）放电间隙（又称保护间隙）：它一般由暴露在空气中的两根相隔一定间隙的金属棒组成，其中一根金属棒与所需保护设备的电源相线L1或零线（N）相连，另一根金属棒与接地线（PE ）相连接, 当瞬时过电压袭来时，间隙被击穿，把一部分过电压的电荷引入大地，避免了被保护 设备上的电压升高。这种放电间隙的两金属棒之间的距离可按需要调整，结构较简单, 其缺点是灭弧性能差。改进型的放电间隙为角型间隙，它的灭弧功能较前者为好，它 是靠回路的电动力F作用以及热气流的上升作用而使电弧熄灭
3、的。2）气体放电管：它是由相互离开的一对冷阴板封装在充有一定的惰性气体（Ar ）的玻璃管或陶瓷 管内组成的。为了提高放电管的触发概率，在放电管内还有助触发剂。这种充气放电 管有二极型的，也有三极型的，气体放电管的技术参数主要有：直流放电电压Udc；Up（ 般情况下Upa （23） Ude；工频耐受In；冲击耐受电流Ip；绝缘电阻R （109 Q ）；极间电容（1-5PF ）气体放电管可在直流和交流条件下使用，其所选用的直流放电电压Ude分别如下: 在直流条件下使用：Udc21.8U0（ U0为线路正常工作的）在交流条件下使用：U dc1.44Un（ Un为线路正常工作的有效值）3）压敏电阻：它
4、是以ZnO为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻，当作用在其两端的电压 达到一定数值后，电阻对电压十分敏感。它的工作原理相当于多个半导体P-N的串并联。压敏电阻的特点是非线性特性好（I=CUa中的非线性系数a ），通流容量大（ 2KA/cm2 ），常态小（10-710-6A ），残压低（取决于压敏电阻的工作电压和通流容 量），对瞬时过电压响应时间快（10-8s ），无续流。压敏电阻的技术参数主要有：（即开关电压）UN，Ulma ；残压Ures ；残压比K（K=Ures/UN ）；最大通流容量Imax ；泄漏电流；响应时间。压敏电阻的使用条件有：压敏电压：UN三（V2X1.2）/0.7U0 （U
5、0为工频电源额定电压）最小参考电压：Ulma2（ 1.82） Uac （直流条件下使用）Ulma2（ 2.22.5 ） Uac （在交流条件下使用，Uac为交流工作电压）压敏电阻的最大参考电压应由被保护电子设备的来确定， 应使压敏电阻的残压低 于被保护电子设备的而损电压水平，即（Ulma ）maxWUb/K,上式中K为残压比，Ub 为被保护设备的而损电压。4）抑制二极管：抑制二极管具有箝位限压功能，它是工作在反向击穿区，由于它具有箝位电压低 和动作响应快的优点，特别适合用作多级保护电路中的最末几级保护元件。抑制二极 管在击穿区内的伏安特性可用下式表示： I=CUa ，上式中 a 为非线性系数，
6、对于齐 纳二极管 a =79，在雪崩二极管 a =57.1.4 SPD的基本分类按其工作原理分类，SPD可以分为电压开关型、限压型及组合型。电压开关型SPD。在没有瞬时过电压时呈现高阻抗，一旦响应雷电瞬时过电压, 其阻抗就突变为低阻抗，允许雷电流通过，也被称为“短路开关型 SPD”。限压型SPD。当没有瞬时过电压时，为高阻抗，但随电涌电流和电压的增加， 其阻抗会不断减小，其电流电压特性为强烈非线性，有时被称为“钳压型 SPD”。组合型 SPD 。由电压开关型组件和限压型组件组合而成，可以显示为电压开关 型或限压型或两者兼有的特性，这决定于所加电压的特性按其用途分类， SPD 可以分为电源线路
7、SPD 和信号线路 SPD 两种。信号线路 SPD信号线路 SPD 其实就是信号避雷器，安装在信号传输线路中，一般在设备前端， 用来保护后续设备，防止雷电波从信号线路涌入损伤设备。电源浪涌是电路中持续约百万分之一秒的瞬态过电压。比如系统工作电压为380V的马 达可通过几千伏的绝缘测试，而一个在电路板上工作电压为5V的芯片不可能有与马达相同 的绝缘强度。电源浪涌保护器是一个复杂的产品，它不仅仅是一个电气部件，它是将不同功 能的部件精密地组合在一个电路中，以最短的时间（纳秒级）内将被保护线路接入等电压系 统中，使设备各端口等电位，同时释放在电路上因雷击而产生的大量脉冲能量，将其短路泄 放到大地，降
8、低设备各端口的电位差。该系列产品可以极其有效地抑制由雷电引起的感应过 电压及系统操作过电压，保护设备安全，保障系统的正常运行。2. 电源SPD2.1电源SPD的主要结构（压敏电阻）压敏电阻是SPD的基本元件，SPD的老化主要是有压敏电阻有关参数发生改 变而造成。ZnO压敏电阻片因有其良好的非线性和大电流吸收能力，现已广泛应用于大 型电气设备电力系统低压电源系统和信息系统的电涌防护中它的性能好坏直 接影响保护的效果 一个性能良好的氧化锌压敏电阻经受电涌冲击后，其电气特 性应返回到初始状态，然而系统运行过程中由于受到雷电流操作过电压高温 高湿等外部环境的影响，使压敏电阻出现老化和劣化的现象降低了浪
9、涌保护能 力，古必须对其进行定期检查测防止老化劣化产品任工作在系统中目前一般采 用压敏电压和漏电流对老化程度进行判定，但这些参数只能反映氧化锌压敏电阻 得整体性能，不能反映老化劣化的程度无法对氧化锌压敏电阻的状态提供可靠 的判断依据因此，研究压敏电阻老化和劣化的测试参数更为重要。目前研究发现压敏电 阻得非线性特性与其配方热处理和烧结过程有着重要影响。2.2 电源 SPD 的工作原理原理： HDL 电源浪涌保护器分为防爆箱式和模块式两种。均采用了一种非线性特 性极好的压敏电阻。 在正常情况下，浪涌保护器处于极高的电阻状态， 漏流几乎为零， 从而保证电源系统正常供电。当电源系统出现浪涌过压时， H
10、DL 电源浪涌保护器立即 在纳秒级的时间内导通，将过电压的幅值限制在设备的安全工作范围内，同时将浪涌 能量入地释放掉。随后，浪涌保护器又迅速变为高阻状态，从而不影响正常供电。应用领域： HDL 电源浪涌保护器适用于交流 50/60Hz ，额定工作电压 380V 的 TT、 TN-S、TN-C 、IT 等供电系统及工厂低压动力和控制系统，对间接雷电和直接雷电影响 或其他瞬时过电压的浪涌进行保护，主要适用于住宅，第三产业及工矿企业等领域浪 涌保护要求。作用： HDL 电源浪涌保护器就是在最短时间（纳秒级）内将被保护线路接入等电 压系统中，使设备各端口等电位，同时释放在电路上因雷击而产生的大量脉冲能
11、量， 将其短路释放到大地， 降低设备各端口的电位差。 HDL 适合于 220/380V 供配电系统的 瞬态过电压保护， 该产品可以及其有效地抑制由雷电引起的感应过电压及系统操作过 电压，保护设备安全，保障系统的正常运行。适用范围：主要适用于配电室、配电柜、和其它重要场所总电源，移动通信基站，微波 通信局站，电信机房，工厂，民航，金融，证券等系统的主电源防护。2.3 电源 SPD 的特点及用途 特点:易辨识的状态显示可以方便维护人员了解浪涌保护器的工作状态，易维护；35mm 的标准导轨式安装； 浪涌识别技术：在模块内装入识别开关，此开关可以识别浪涌，正常工作时处于常开状 态，仅在出现浪涌的5ns
12、闭合。此开关可以防止漏流，延缓元件老化，提高产品寿命；独特的热备份保护功能：在雷击电流过大造成产品击穿后，产品会出现红色脱扣警示， 并且投入备份阀片工作，在保护器没及时更换时，还具备同等的防护功能。此功能是根据我 们多年来的经验研发而成，对防护频繁的操作过电压和雷电感应过电压有巨大和深远的意义；采用分级防雷的理念：例如系统工作电压为380V的马达可通过几千伏的绝缘测试，而 一个在电路板上工作电压为5V的芯片不可能有与马达相同的绝缘强度。装置通过了中华人民共和国气象局防雷办的认证。产品的研发生产严格按照GB / IEC 标准。1. 可靠的热脱扣保护装置2. 独特的短路过流脱扣功能3. 独特的热备
13、份功能4. 浪涌识别技术5. 可靠的老化告警方式6. 流通量大，残压低7. 相应时间快8. 防雷箱采用一体化设计，外型美观，安装方便，模块式的采用标准化设计，更换方便，标准 35mm 导轨，可直接装入配电柜和配电箱。9 声光报警系统。3. 电源SPD老化.劣化测试3.1电源SPD老化.劣化的概念及原因老化现象：金属氧化物限压器通常不带串联间隙，因此工作电压将长期作用在限压器内 的电阻片上，长期有泄漏电流流过。对于工频电压，电流中包括一定分量的阻性电流。虽然 阻性电流幅值相对与容性电流要小，但有可能随时间逐渐增加，并导致功率耗损的增加，即 ZnO 非线性电阻存在老化现象。老化将影响工作的稳定性和
14、可靠性，并最终可能导致热破坏。ZnO 阀片的老化是指其在各种外加应力及外加因素作用下，其性能及电气物理参数发生 改变，逐渐偏离其起始性能指标。外加应力包括电应力和热应力。电应力和热应力包括长期 工作电压，如直流和交流电压，也包括各种过电压作用下短时间下的冲击电流。主要老化现象：(1)老化主要集中在预击穿区，击穿区的老化程度比较小；(2) 老化将导致其阻性电流及功率损耗增加，电容减小和介质损耗增大；(3) 在直流电流的作用下，老化试验后ZnO阀片的正反向U-I特性曲线发生不对称漂 移；在交流作用下，发生对称漂移；(4) 随着老化试验时间. 环境温度或施加电压的增加，老化程度将加剧;(5) 进行适
15、当的热处理可以提高阀片的耐老化性能，并在一定程度上恢复已老化阀片 的特性。原因：温度，电位分布不均匀，肖特基势垒的畸变。(由晶界区域的离子的迁移造成的， 据分析，迁移离子主要是填隙锌离子。)3.2测试电源SPD老化劣化的方法及判断老化程度老化劣化分析：老化劣化是MOV在使用过程中必然存在的现象，受持续过电压，大电流电流冲击，受潮 等因素影响。其老化结果在外部的老化劣化参数上都表现为氧化锌压敏电阻非线性V-I特性 降低、压敏电压降低、漏电流增大等现象。通过分析老化劣化时内部机制的作用，可以为生 产厂家提供依据，使其制作工艺，特别是对MOV致密化程度提出更高的要求，使其制作工艺 更加完善，更好的避免受潮等老化劣化环境，同时也可以改进测试方法，及时检验出已老化 劣化的的MOV型SPD。通过不同老化劣化实验，结合MOV内部晶界结构，分析得出MOV的老化是内部晶界层性 能变化的结果。由于目前检测参数U1MA（压敏电阻）和Ileakage（漏电流）不能对MOV老化程度做出及时 有效的判断。因此，研究一种能够考量MOV老化程度的方法尤其重要。根据影响MOV电容的 主要因素以及晶界肖恩特基势垒变化、离子迁移理论等氧化锌压敏电阻的老化机理,提出了 氧化锌压敏电阻老化过程中必然伴随电容量的变化。通过工。标称值冲击、Imax大电流冲 击、热稳定性试验和受潮四种方法对MOV型SPD进行老化劣化试验,发
