浅谈SPD 模拟失效试验的预期失效电流
【摘要】本文介绍了电涌保护器（SPD）的定义、构造，并指出了大部分电涌保护器是由压敏电阻组成的。
进而分析了压敏电阻的工作原理、U—I 特性曲线及短路劣化时存在的风险，提出了电涌保护器需带有内部脱离装置，并由SPD 模拟失效试验来验证脱离装置的有效性。
毕业论文网 【关键词】模拟失效试验；电涌保护器（SPD）；压敏电阻（MOV）；失效电流；短路电流 一、电涌保护器（SPD）的概述 SPD 是英文Surge Protective Device 的缩写，IEC（国际电工委员会）将其定义为“用做限制瞬态过电压和泄放冲击电流的装置，它至少应包含一个非线性元件”。
ITU（国际电信联盟）将SPD 定义为“用来减少具有有限持续时间的冲击过电压和过电流的装置，它可以只含有一个器件或者有较复杂的设计，集合几种功能。
它至少应包含一个非线性元件”。
由此可见，它是用来限制冲击过电压和泄放过电流的装置，它可以是单个非线性元件组成，也可以是多个非线性元件组成，也可以是线性元件和非线性元件复合而成。
电涌保护器按构成分为电压限制型SPD和电压开关型SPD两大类。
常用的电压限制型元件有压敏电阻和抑制二极管；常用的电压开关型元件有放电间隙、气体放电管、晶闸管（可控硅整流器）和双向三极晶闸管。
常见的SPD以电压限制型SPD 为主，其构成元件绝大部分为压敏电阻。
因此，本文以压敏电阻构成的电压限制型SPD 为例，进行模拟失效试验的分析。
当压敏电阻两端所加电压低于标称压敏电压时，压敏电阻的阻值接近无穷大，内部几乎无电流流过，这样就不影响电器设备的正常工作；当压敏电阻两端电压高于标称压敏电压时，压敏电阻将迅速击穿导通，并由高阻状态变为低阻状态，泄放掉绝大部分的浪涌电流，从而保护了电器设备，此时，当其两端电压低于标称压敏电压时，压敏电阻又能自动恢复到高阻状态。
压敏电阻在高电压下能迅速变为低阻抗，当高电压消失时，又能迅速恢复到高阻抗的特性取决于压敏电阻的U—I 特性曲线。
ZnO 压敏电阻器的U—I特性呈现出特殊的非线性，如图1所示，其U—I特性曲线可以分为预击穿区、击穿区和回升区三个部分。
当电压值达到击穿电压的数值以前，压敏电阻接近于绝缘体；而在电压高过击穿电压时，压敏电阻呈现出导体的性质。
这个区段间是压敏电阻工作的核心区段。
回升区是元件可能受到破坏的区域，在这个区段，压敏电阻的U—I特性再次趋向线性，就像预击穿区一样，但这时候其电压随电流增大而上升的速度要快得多。
虽然压敏电阻的工作电流非常小，但由于泄漏电流的存在，长期使用后有可能使压敏电阻短路劣化，或者当压敏电阻吸收的能量大于其能量耐量时，也可能出现短路劣化。
此外，当压敏电阻两端电压超过其最大限制电压时，压敏电阻将完全击穿损坏，一般会使压敏电阻呈现低阻抗而无法自行恢复到高阻抗。
这时的压敏电阻如果仍然连接在电路中就会产生安全隐患。
所以，一般由压敏电阻构成的电涌保护器（SPD）一般都带有一个内部的脱离装置，在压敏电阻短路劣化时，将SPD 从电力系统中切断开，从而防止火灾等类似灾害的产生。
那么，这个脱离装置就需要有一定的要求，当压敏电阻短路劣化时，能将SPD从电力系统切断开，这个功能通过标准IEC 61643—11：2011 中的8.5.3.2 条款，即SPD的模拟失效试验来进行验证。
图1 压敏电阻的U—I 曲线图 三、SPD 模拟失效试验 1.试验方法 SPD模拟失效试验的试验电路图如图2所示，时序图如图3 所示。
从图中可以看出，SPD模拟失效试验分为短路失效预处理试验和短路电流试验两部分。
其中短路失效预处理部分的电源电压需满足以下要求：（1） Uc不超过440V的SPD，施加1200V 的电压；（2） Uc 高于440V 的SPD，施加等于3倍Uc的电压。
短路试验的电源电压为UREF，试验电流依次为100A、500A、1000A 以及制造厂声称的额定短路电流。
在预处理试验结束和施加UREF 电压之间的时间间隔应尽可能短，不应超过100ms。
图2. SPD 失效模拟试验电路图 图3. SPD 失效模拟试验时序图 2.失效预处理试验的试验电流Ip 根据压敏电阻的U—I 特性曲线可知，如果失效预处理试验电流Ip 取值过小或未经过预处理试验直接施加UREF（一般为255V）在SPD上，压敏电阻根本不会导通，起不到预期的效果；如果预处理试验电流Ip 取值太大，又会导致压敏电阻直接烧毁，同样模拟不了压敏电阻的短路失效。
只有预处理试验电流Ip选取适当的值，使压敏电阻在预处理试验阶段完成短路失效的目的，才能使后续的短路电流试验顺利进行，从而确定电涌保护器的脱离装置是否有效。
结束语 电涌保护器是广泛用在低压配电系统中用于抑制过电压、泄放电涌电流的低压电器，其核心元器件通常是压敏电阻。
由于压敏电阻在长期老化或者暂时过电 压的作用下会发生短路失效，导致SPD上流过低压配电系统在其安装位置上的预期短路电流。
SPD模拟失效试验失效电流的选取对整个试验具有至关重要的影响，选择的电流过小时压敏电阻没有短路失效，后续的短路试验就变得没有意义。
参考文献 [1]GB 18802.1—2011低压电涌保护器（SPD） 第1部分：低压配电系统的电涌保护器性能要求和试验方法 [2]IEC 61643—11：2011 Low—voltage surge protective devices— Part 11：Surge protective devices connected to low—voltagepower systems ?C Requirements and test methods。