浪涌保護器老化劣化測試.docx

電源SPD老化劣化測試1SPD1.1 SPD的概念浪涌保護器（SPD），也叫防雷器，是一種為各種電子設備、儀器儀表、通訊線路提供安全防護的電子裝置。當電氣回路或者通信線路中因為外界的干擾突然產(chǎn)生尖峰電流或者電壓時，浪涌保護器能在極短的時間內(nèi)導通分流，從而避免浪涌對回路中其他設備的損害。 SPD是電子設備雷電防護中不可缺少的一種裝置，其作用是把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)姶蟮睦纂娏餍沽魅氲?，保護被保護的設備或系統(tǒng)不受沖擊。1.2 SPD的基本特點 （1）保護通流量大，殘壓極低，響應時間快； （2）采用最新滅弧技術，徹底避免火災； （3）采用溫控保護電路，內(nèi)置熱保護； （4）帶有電源狀態(tài)指示，指示浪涌保護器工作狀態(tài)； （5）結(jié)構嚴謹，工作穩(wěn)定可靠。1.3 SPD的基本元器件 1）放電間隙（又稱保護間隙）： 它一般由暴露在空氣中的兩根相隔一定間隙的金屬棒組成，其中一根金屬棒與所需保護設備的電源相線L1或零線（N）相連，另一根金屬棒與接地線（PE）相連接，當瞬時過電壓襲來時，間隙被擊穿，把一部分過電壓的電荷引入大地，避免了被保護設備上的電壓升高。這種放電間隙的兩金屬棒之間的距離可按需要調(diào)整，結(jié)構較簡單，其缺點是滅弧性能差。改進型的放電間隙為角型間隙，它的滅弧功能較前者為好，它是靠回路的電動力F作用以及熱氣流的上升作用而使電弧熄滅的。 2）氣體放電管： 它是由相互離開的一對冷陰板封裝在充有一定的惰性氣體（Ar）的玻璃管或陶瓷管內(nèi)組成的。為了提高放電管的觸發(fā)概率，在放電管內(nèi)還有助觸發(fā)劑。這種充氣放電管有二極型的，也有三極型的， 氣體放電管的技術參數(shù)主要有：直流放電電壓Udc；沖擊放電電壓Up（一般情況下Up（23）Udc；工頻耐受電流In；沖擊耐受電流Ip；絕緣電阻R（109）；極間電容（1-5PF） 氣體放電管可在直流和交流條件下使用，其所選用的直流放電電壓Udc分別如下：在直流條件下使用：Udc1.8U0（U0為線路正常工作的直流電壓） 在交流條件下使用：U dc1.44Un（Un為線路正常工作的交流電壓有效值） 3）壓敏電阻： 它是以ZnO為主要成分的金屬氧化物半導體非線性電阻，當作用在其兩端的電壓達到一定數(shù)值后，電阻對電壓十分敏感。它的工作原理相當于多個半導體P-N的串并聯(lián)。壓敏電阻的特點是非線性特性好（I=CU中的非線性系數(shù)），通流容量大（2KA/cm2），常態(tài)泄漏電流小（10-710-6A），殘壓低（取決于壓敏電阻的工作電壓和通流容量），對瞬時過電壓響應時間快（10-8s），無續(xù)流。 壓敏電阻的技術參數(shù)主要有：壓敏電壓（即開關電壓）UN，參考電壓Ulma；殘壓Ures；殘壓比K（K=Ures/UN）；最大通流容量Imax；泄漏電流；響應時間。 壓敏電阻的使用條件有：壓敏電壓：UN（21.2）/0.7U0（U0為工頻電源額定電壓） 最小參考電壓：Ulma（1.82）Uac （直流條件下使用） Ulma（2.22.5）Uac（在交流條件下使用，Uac為交流工作電壓） 壓敏電阻的最大參考電壓應由被保護電子設備的耐受電壓來確定，應使壓敏電阻的殘壓低于被保護電子設備的而損電壓水平，即（Ulma）maxUb/K，上式中K為殘壓比，Ub為被保護設備的而損電壓。 4）抑制二極管： 抑制二極管具有箝位限壓功能，它是工作在反向擊穿區(qū)，由于它具有箝位電壓低和動作響應快的優(yōu)點，特別適合用作多級保護電路中的最末幾級保護元件。抑制二極管在擊穿區(qū)內(nèi)的伏安特性可用下式表示：I=CU，上式中為非線性系數(shù)，對于齊納二極管=79，在雪崩二極管=57.1.4 SPD的基本分類1.4.1按工作原理分類 按其工作原理分類，SPD可以分為電壓開關型、限壓型及組合型。 電壓開關型SPD。在沒有瞬時過電壓時呈現(xiàn)高阻抗，一旦響應雷電瞬時過電壓，其阻抗就突變?yōu)榈妥杩?，允許雷電流通過，也被稱為“短路開關型SPD”。 限壓型SPD。當沒有瞬時過電壓時，為高阻抗，但隨電涌電流和電壓的增加，其阻抗會不斷減小，其電流電壓特性為強烈非線性，有時被稱為“鉗壓型SPD”。 組合型SPD。由電壓開關型組件和限壓型組件組合而成，可以顯示為電壓開關型或限壓型或兩者兼有的特性，這決定于所加電壓的特性1.4.2按用途分類 按其用途分類，SPD可以分為電源線路SPD和信號線路SPD兩種。1.4.2.1 信號線路SPD信號線路SPD其實就是信號避雷器，安裝在信號傳輸線路中，一般在設備前端，用來保護后續(xù)設備，防止雷電波從信號線路涌入損傷設備。1.4.2.2電源線路SPD電源浪涌是電路中持續(xù)約百萬分之一秒的瞬態(tài)過電壓。比如系統(tǒng)工作電壓為380V的馬達可通過幾千伏的絕緣測試，而一個在電路板上工作電壓為5V的芯片不可能有與馬達相同的絕緣強度。電源浪涌保護器是一個復雜的產(chǎn)品，它不僅僅是一個電氣部件，它是將不同功能的部件精密地組合在一個電路中，以最短的時間（納秒級）內(nèi)將被保護線路接入等電壓系統(tǒng)中，使設備各端口等電位，同時釋放在電路上因雷擊而產(chǎn)生的大量脈沖能量，將其短路泄放到大地，降低設備各端口的電位差。該系列產(chǎn)品可以極其有效地抑制由雷電引起的感應過電壓及系統(tǒng)操作過電壓，保護設備安全，保障系統(tǒng)的正常運行。2.電源SPD2.1 電源SPD的主要結(jié)構(壓敏電阻) 壓敏電阻是SPD的基本元件，SPD的老化主要是有壓敏電阻有關參數(shù)發(fā)生改變而造成。 ZnO壓敏電阻片因有其良好的非線性和大電流吸收能力,現(xiàn)已廣泛應用于大型電氣設備.電力系統(tǒng).低壓電源系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的電涌防護中.它的性能好壞直接影響保護的效果.一個性能良好的氧化鋅壓敏電阻經(jīng)受電涌沖擊后,其電氣特性應返回到初始狀態(tài),然而系統(tǒng)運行過程中由于受到雷電流.操作過電壓.高溫.高濕等外部環(huán)境的影響,使壓敏電阻出現(xiàn)老化和劣化的現(xiàn)象.降低了浪涌保護能力,古必須對其進行定期檢查測.防止老化劣化產(chǎn)品任工作在系統(tǒng)中.目前一般采用壓敏電壓和漏電流對老化程度進行判定,但這些參數(shù)只能反映氧化鋅壓敏電阻得整體性能,不能反映老化劣化的程度.無法對氧化鋅壓敏電阻的狀態(tài)提供可靠的判斷依據(jù). 因此，研究壓敏電阻老化和劣化的測試參數(shù)更為重要。目前研究發(fā)現(xiàn)壓敏電阻得非線性特性與其配方.熱處理和燒結(jié)過程有著重要影響。2.2電源SPD的工作原理原理：HDL電源浪涌保護器分為防爆箱式和模塊式兩種。均采用了一種非線性特性極好的壓敏電阻。在正常情況下，浪涌保護器處于極高的電阻狀態(tài)，漏流幾乎為零，從而保證電源系統(tǒng)正常供電。當電源系統(tǒng)出現(xiàn)浪涌過壓時，HDL電源浪涌保護器立即在納秒級的時間內(nèi)導通，將過電壓的幅值限制在設備的安全工作范圍內(nèi)，同時將浪涌能量入地釋放掉。隨后，浪涌保護器又迅速變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，從而不影響正常供電。應用領域：HDL電源浪涌保護器適用于交流50/60Hz，額定工作電壓380V的TT、TN-S、TN-C、IT等供電系統(tǒng)及工廠低壓動力和控制系統(tǒng)，對間接雷電和直接雷電影響或其他瞬時過電壓的浪涌進行保護，主要適用于住宅，第三產(chǎn)業(yè)及工礦企業(yè)等領域浪涌保護要求。作用：HDL電源浪涌保護器就是在最短時間（納秒級）內(nèi)將被保護線路接入等電壓系統(tǒng)中，使設備各端口等電位，同時釋放在電路上因雷擊而產(chǎn)生的大量脈沖能量，將其短路釋放到大地，降低設備各端口的電位差。HDL適合于220/380V供配電系統(tǒng)的瞬態(tài)過電壓保護，該產(chǎn)品可以及其有效地抑制由雷電引起的感應過電壓及系統(tǒng)操作過電壓，保護設備安全，保障系統(tǒng)的正常運行。適用范圍：主要適用于配電室、配電柜、和其它重要場所總電源，移動通信基站，微波通信局站，電信機房，工廠，民航，金融，證券等系統(tǒng)的主電源防護。2.3電源SPD的特點及用途特點:易辨識的狀態(tài)顯示可以方便維護人員了解浪涌保護器的工作狀態(tài)，易維護；35mm的標準導軌式安裝； 浪涌識別技術：在模塊內(nèi)裝入識別開關，此開關可以識別浪涌，正常工作時處于常開狀態(tài)，僅在出現(xiàn)浪涌的5ns閉合。此開關可以防止漏流，延緩元件老化，提高產(chǎn)品壽命； 獨特的熱備份保護功能：在雷擊電流過大造成產(chǎn)品擊穿后，產(chǎn)品會出現(xiàn)紅色脫扣警示，并且投入備份閥片工作，在保護器沒及時更換時，還具備同等的防護功能。此功能是根據(jù)我們多年來的經(jīng)驗研發(fā)而成，對防護頻繁的操作過電壓和雷電感應過電壓有巨大和深遠的意義； 采用分級防雷的理念：例如系統(tǒng)工作電壓為380V的馬達可通過幾千伏的絕緣測試，而一個在電路板上工作電壓為5V的芯片不可能有與馬達相同的絕緣強度。 裝置通過了中華人民共和國氣象局防雷辦的認證。產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)嚴格按照GBIEC標準。 1.可靠的熱脫扣保護裝置 2. 獨特的短路過流脫扣功能 3. 獨特的熱備份功能 4. 浪涌識別技術 5. 可靠的老化告警方式 6. 流通量大，殘壓低 7. 相應時間快 8. 防雷箱采用一體化設計，外型美觀，安裝方便，模塊式的采用標準化設計，更換方便，標準35mm導軌，可直接裝入配電柜和配電箱。 9聲光報警系統(tǒng)。3電源SPD老化.劣化測試3.1電源SPD老化.劣化的概念及原因 老化現(xiàn)象：金屬氧化物限壓器通常不帶串聯(lián)間隙，因此工作電壓將長期作用在限壓器內(nèi)的電阻片上，長期有泄漏電流流過。對于工頻電壓，電流中包括一定分量的阻性電流。雖然阻性電流幅值相對與容性電流要小，但有可能隨時間逐漸增加，并導致功率耗損的增加，即ZnO非線性電阻存在老化現(xiàn)象。老化將影響工作的穩(wěn)定性和可靠性，并最終可能導致熱破壞。ZnO閥片的老化是指其在各種外加應力及外加因素作用下，其性能及電氣物理參數(shù)發(fā)生改變，逐漸偏離其起始性能指標。外加應力包括電應力和熱應力。電應力和熱應力包括長期工作電壓，如直流和交流電壓，也包括各種過電壓作用下短時間下的沖擊電流。主要老化現(xiàn)象：（1）老化主要集中在預擊穿區(qū)，擊穿區(qū)的老化程度比較小；（2）老化將導致其阻性電流及功率損耗增加，電容減小和介質(zhì)損耗增大；（3）在直流電流的作用下，老化試驗后ZnO閥片的正反向U-I特性曲線發(fā)生不對稱漂移；在交流作用下，發(fā)生對稱漂移；（4）隨著老化試驗時間.環(huán)境溫度或施加電壓的增加，老化程度將加劇;（5）進行適當?shù)臒崽幚砜梢蕴岣唛y片的耐老化性能，并在一定程度上恢復已老化閥片的特性。原因：溫度，電位分布不均勻，肖特基勢壘的畸變。（由晶界區(qū)域的離子的遷移造成的，據(jù)分析，遷移離子主要是填隙鋅離子。）3.2測試電源SPD老化劣化的方法及判斷老化程度老化劣化分析：老化劣化是MOV在使用過程中必然存在的現(xiàn)象，受持續(xù)過電壓，大電流電流沖擊，受潮等因素影響。其老化結(jié)果在外部的老化劣化參數(shù)上都表現(xiàn)為氧化鋅壓敏電阻非線性V-I特性降低、壓敏電壓降低、漏電流增大等現(xiàn)象。通過分析老化劣化時內(nèi)部機制的作用，可以為生產(chǎn)廠家提供依據(jù)，使其制作工藝，特別是對MOV致密化程度提出更高的要求，使其制作工藝更加完善，更好的避免受潮等老化劣化環(huán)境，同時也可以改進測試方法，及時檢驗出已老化劣化的的MOV型SPD。通過不同老化劣化實驗，結(jié)合MOV內(nèi)部晶界結(jié)構，分析得出MOV的老化是內(nèi)部晶界層性能變化的結(jié)果。由于目前檢測參數(shù)U1MA(壓敏電阻)和Ileakage(漏電流)不能對MOV老化程度做出及時有效的判斷。因此,研究一種能夠考量MOV老化程度的方法尤其重要。根據(jù)影響MOV電容的主要因素以及晶界肖恩特基勢壘變化、離子遷移理論等氧化鋅壓敏電阻的老化機理,提出了氧化鋅壓敏電阻老化過程中必然伴隨電容量的變化。通過工。標稱值沖擊、Imax大電流沖擊、熱穩(wěn)定性試驗和受潮四種方法對MOV型SPD進行老化劣化試驗,發(fā)現(xiàn)：MOV的電容量均隨老化程度增加而呈現(xiàn)上升趨勢；在I。標稱值沖擊下,MOV電容量隨沖擊次數(shù)近似線性上升。通過實驗,首次提出了電容量增幅具有考量MOV老化程度的重要意義。結(jié)合U1mA、Ileakage和電容量3個參數(shù)分析MOV內(nèi)部劣化原因,認為MOV的老化劣化是內(nèi)部晶界特性改變的結(jié)果,其試驗后老化劣化結(jié)果及分析更加驗證了離子遷移的老化機理。利用北京防雷裝置測試中心，高壓沖擊實驗設備和安全性能設備對同種型號不同廠家A、B兩組產(chǎn)品，進行不同老化劣化實驗，并測試實驗過程中，壓敏電壓、漏電流、電容量三個參數(shù)值。模擬不同老化劣化環(huán)境，測試不同老化劣化環(huán)境下，各參數(shù)變化值，分析不同的實驗手段對其老化劣化的影響，分析老化劣化原因，為合理的老化劣化檢測手段提供依據(jù)。實驗產(chǎn)品為MOV型SPD應用廣泛型號，其標志參數(shù)為Uac：385V，In:20kA,Imax:40kA，Up:2.0kA。實驗選取不同廠家A、B相同型號各試驗品20份、40份。下列為不同方法。測試方法3.2.1 8/20微秒波形沖擊實驗包括In和Imax沖擊試驗。8/20微秒沖擊實驗是GB18802.1-2002和IEC61643 等范圍中，對于MOV型SPD測試的主要沖擊測試手段，是MOV型SPD級沖擊實驗的波形。規(guī)范規(guī)定流過SPD通過沖擊實驗時的電流峰值稱為標稱放電電流In，Imax=2In.其波形如圖3.1：圖中：T1是指波頭上升時間；T2是指半幅值時間本實驗利用北京測試中心PSPRGE30.2沖擊電流發(fā)生器，對同種型號不同廠家兩組進行分別進行In和Imax8/20微秒沖擊實驗，直至所測試品出現(xiàn)明顯老化劣化。具體實驗為：1）對不同廠家A、B各個試品編號（A1、A2A10;B1、B2B10）;A1-A5，B1-B5進行Imax沖擊實驗。2）測試各試品沖擊實驗前，In、Imax和電容量C三個參數(shù)值。3）將各試品按分組實驗，進行沖擊試驗，并進行記錄試驗后各參數(shù)。4）沖擊至試品出現(xiàn)明顯老化劣化特征，具體為：沖擊后，示波器試品非線性V-I特性降低明顯、壓敏電壓降低值較多、漏電流增大值明顯。對于此次沖擊實驗，還可能出現(xiàn)閥片炸裂等現(xiàn)象。32.2 熱穩(wěn)定老化實驗1）選取不同廠家A、B各5份試品，對各個試品編號（A11、A12A15；B11、B12B15）；2）測試各試品熱穩(wěn)定試驗前，In、Imax和電容量C三個參數(shù)值。3）對各試品依次測試2.5mA.10mA.20mA.40mA各10分鐘和80mA(預計10分鐘，實驗過程中，各試品在此階段均出現(xiàn)脫扣和炸裂現(xiàn)象)。并在老化試驗各個階段測試In、Imax和電容量C三個參數(shù)值。4）區(qū)別于熱穩(wěn)定試驗，電流增大測試過程中，試品均處于加壓狀態(tài)，即各個測試階段，試品一直處于高溫狀態(tài)；本實驗中，為測試參數(shù)需要，各測試品在測試階段需要脫離測試設備，并將試品冷卻至室溫。因此，此試驗僅利用熱穩(wěn)定試驗老化原理，有別于規(guī)范中熱穩(wěn)定性試驗。3.2.3 受潮實驗1）選取廠家A、B各5份，對各個試品進行編號（A16、A17A20，B16、B17B20；2）測試各試品受潮試驗前，In、Imax和電容量C三個參數(shù)值。3）對各試品均采取相同鉆孔處理。4）將鉆孔試品，置于防雷測試中心SUNAN高溫濕熱箱中，分階段先后進行12