执行GB18802.1-2002国家标准 国内SPD生产厂家应注意几个问题

baquanspd

蔡振新 ( 上海市防雷中心，教授级高工，上海 200030)

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＝e R/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

图 ⑴ 平均寿命（ Ml ）的阿仑尼斯模型

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 ＝ n 1 × Vz ＝ H / d 0 · V z 　　 式中 n 1 ： 压敏电阻沿厚度方向有 n 1 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 ° C 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 　　　　　　　　　　 I R＝ I R 0 +Ktn 　　 式中： I R 0 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[/url] [url=http://down.qiannao.com/space/file/fanglei5/share/2009/10/20/2.gif/.page] 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∫i ²d² 　　 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（ Δ T ）为： Δ T ＝ Q/M c 　　 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 I n 及 I iMp （或 I peak ）、 I m ax 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。 　　 ②SPD 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。 　　 ③SPD 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