低压供电系统中SPD 的失效模式及失效原因
【摘要】本文从我国现行标准规范出发，针对低压供电系统中SPD 的失效模式及失效原因作了详细的描述和总结。希望能给广大设计人员提供参考。
【关键词】低压供电系统；SPD ；失效模式
一、前言
随着我国SPD 低压供电系统中SPD 技术的迅猛发展, 低压供电系统中SPD(包括各种低压供电设备) 失效模式及失效原因问题已引起了越来越多的注意,
二、SPD 概述
国民经济的高速发展以及现代化水平的提高，SPD 已被广泛用于邮电通讯、电力、铁道、机场、石化、工民建等各个行业。随着SPD 的大量使用，SPD 火灾事故和雷电防护失效凸显了起来，给国家和企业造成了很大的经济损失。根据SPD 发生的火灾事故和防雷失效事故现场分析及实验室验证：火灾事故是由电源暂态过电压故障使工频电流流入SPD 引发火灾（持续的电源能量使SPD 迅速燃烧），防雷失效事故大多数是SPD 脱离了保护线路造成。
规范中要求电源SPD 安装后备过流保护装置，目的是当SPD 出现金属性短路故障时，保护装置能够迅速切断电路，避免保护开关出现越级脱扣，造成电源系统大面积断电。另外一个作用是防止电源系统出现电压异常升高导致SPD 启动流入工频电流起火。
国内外用于SPD 后备过流保护使用的是熔断器或断路器，这两种保护装置选择正确都能够起到SPD 金属性短路故障切除。当电源系统出现故障--电压升高导致SPD 启动流入工频电流时，由于接地电阻和SPD 导通电阻的作用，电源电流往往达不到保护装置速断值致使SPD 起火燃烧；当两种保护装置速断值选择偏小时，满足了以上两种保护，但雷电冲击电流又会造成速断致使防雷保护失效。公司经过三年多时间，研发成功三种条件下都满足的保护装置-SPD 安规脱扣器，2012年6月北京防雷装置测试中心检测合格，已投入批量生产。
三、SPD 的工作原理
电涌保护器适用于220/380V低压电源保护，是一种非线性元件，根据IEC 标准规定，电涌保护器是主要抑制传导过来的线路过电压和过电流的装置。电涌保护器起到保护作用，基本要求是必须承受预期通过的雷电电流，并且通过电涌
最大钳压，有效熄灭在雷电流通过后产生的工频续流，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而损坏。
浪涌保护器MOV 由三部分组成：中间是一根金属氧化物材料，由两个半导体连接着电源和地线。当产生浪涌时MOV 立即动作，响应时间为1～3毫微秒。MOV 中的“V ”是变阻器，在响应的一瞬间，MOV 的电阻从最大值降到近乎零欧姆，过电流经MOV 流入大地。被保护电气设备继续在正常工作电压下运行。其半导体元件具有随电压变化而改变电阻的性质。当电压低于某个特定值时，半导体中的电子运动产生高电阻。反之，当电压超过该特定值时，电子运动会发生变化，半导体电阻降低接近零欧姆。电压正常，浪涌保护器MOV 闲在一旁，不影响电力线路。
浪涌保护器MOV 优劣的指标：（1）箝位电压：表示将导致MOV 接通地线的电压值。箝位电压越低，表示保护性能越好。（2）能量吸收/耗散能力：此标称值表示浪涌保护器在烧毁前能够吸收多少能量，单位为焦耳。其数值越高，保护性能就越好。（3）响应时间：浪涌保护器不会立刻断开，它们对电涌做出响应会有略微的延迟。
四、SPD 的失效模式
SPD 主要是由两种类型的器件组成。一种类型为限压器件, 即该器件在击穿后, 其两端电压维持在击穿电压附近不再随击穿电流的上升而线性上升, 以限压的方式起到保护作用。常用的限压器件有 TVS 管和氧化锌压敏电阻(MOV) 等。另一种类型为开关器件, 其主要特点是器件导通后的残压很低, 不仅有利于浪涌电压的迅速泄放, 而且也使功耗大大降低。该类型器件的漏电流小, 对线路影响小。常用的开关器件包括气体放电间隙、气体放电管等。
用于低压供电系统中的浪涌电压抑制器件主要有气体放电管、氧化锌压 敏 电 阻 ( 以下简称压敏电阻) 等。压敏电阻的失效模式有压敏电 压 降 低, 压 敏 电 阻 短路, 压敏电阻限制电压升高, 在大冲击电流下压敏电阻炸裂、开路等。
应当注意, 该模式中标称压敏电压的变化用作基本失效判据, 则测试电流的选定会影响到对失效的判定, 测试电流的典型值推荐使用 1mA。压敏电阻限制
电压升高对应于上述规范中规定的高限制电压失效模式。其定义如下: 在这一模式中, 压敏电阻的限制电压, 在与试验前相同的测试电流下, 高于试验前的110%。当施加的冲击电流超过压敏电阻的通流量时, 压敏电阻可能会出现炸裂, 造成开路。
当压敏电阻电阻值远远小于正常状态时, 称为短路失效模式。短路电流通过时, 其电阻通常为毫欧级, 而冷却后其电阻多在千欧级, 同时其非线性指数大大降低。根据长期积累的经验, 氧化锌压敏阻的失效模式绝大部分为短路。
气体放电管有开路、短路、放电电压升高等几种失效模式。当气体放电管泄放的冲击电流超过其耐受能力后, 导致气体放电管炸裂, 气体放电管呈现开路失效模式。当气体放电管呈现出低放电电压和低绝缘电阻状态时, 这种故障模式接近于短路, 此时呈现短路失效模式。气体放电管电弧放电时, 处在电场中加速了的正离子轰击阴极表面, 阴极材料被溅射到管壁上, 阴极被烧蚀, 使间隙距离增加, 管壁绝缘性能变差, 经过多 次 电 弧 放电 后, 放电电压升高到一定程度, 无法向被保护设备提供有效的保护。此时呈现放电电压升高失效模式。
五、SPD 的失效原因分析
1、在 SPD 保护范围问题研究中，通常有雷电波的波长远大于 SPD 与被保护设备间路长度，因此可以用 1 个集中参数π型等值电路模型代替分布参数线路模型，用电路法代替行波法来近似研究线路末端负荷电压的振荡情况。通过这种简化，用电路法可以很简单地得到负荷电压的解析解，清楚地反映出负荷电压的振荡机理，以及负荷、线路参数在振荡过程中所起的作用和影响。仿真结果验证了这种简化分析的正确性和可行性。
2、在 SPD 保护范围分析中，用一个直流分量和一个时变分量来表示 SPD 残压波形的上升沿具有更高的计算精度。当用一个直流分量和一个时变分量来表示 SPD 残压波形的上升沿时，负荷电压的最大值为B maxp DU = U + U，与仿真结果相同。而用直角平顶波来代替 SPD 残压时的负荷电压最大值是2pU ，用直角平顶波近似表示 SPD 的残压波形来研究 SPD 的保护范围，造成的误差较大。此外，用直角平顶波代替 SPD 残压波形进行保护范围分析时，负荷电压的振荡幅值与线路长度没有关系，因此无法用直角平顶波分析 SPD 的保护范围问题。
3、负荷对 SPD 配合的影响主要存在于 SPD 的导通阶段。根据负荷阻抗与
线路波阻抗的大小关系不同，引起的反射电压正负不同，正的反射电压可以加速 SPD 的导通，负的反射电压会延迟 SPD 的导通过程，甚至导致 SPD不动作。而在 SPD 都导通后的配合研究中，由于 SPD 导通阻抗远小于负荷阻抗，此时负荷的影响可以忽略不计。
4、线路电阻对 SPD 保护范围的影响：在电阻负荷情况下，由于负荷电阻远远大于线路电阻，线路电阻的影响可以忽略；在电容和电感负荷情况下，线路电阻对负荷电压提供了阻尼衰减作用，负荷电压最大值明显小于不考虑线路电阻时的最大值，线路电阻起到提高保护效果，增大保护范围的作用。
5、在多分支电路系统的 SPD 保护范围研究中，由于多分支线路波阻抗的并联分流作用，首级 SPD 的导通时间被延迟，对设备的保护有利。当 SPD 为 MOV 型 SPD 时，SPD 的保护效果得到提高，保护范围略有增大。当 SPD 为开关型 SPD 时，在线路末端负荷较小，外加冲击电流幅值较小时，SPD 可能会不动作，造成保护失败。
六、结束语
通过对低压供电系统中SPD 的失效模式及失效原因，较好解决了低压电源系统SPD 装置存在保护盲区问题。 在各方面的建筑等防雷保护中。 SPD将发挥重要的安全保护作用。
参考文献：
[1]杨大晟, 张小青, 许杨. 低压供电系统中SPD 的失效模式及失效原因[J]. 电瓷避雷器.2007(04):43-46.
[2]胡喜, 胡勇坚. 低压配电系统用SPD 脱扣技术的发展趋势[J]. 电瓷避雷器.2013(06):91-94.
[3]李欣, 刘宝全, 陈加清. 电源SPD 后备保护装置失效模式分析[J]. 建筑电气.2013(05):41-45.
低压供电系统中SPD 的失效模式及失效原因
【摘要】本文从我国现行标准规范出发，针对低压供电系统中SPD 的失效模式及失效原因作了详细的描述和总结。希望能给广大设计人员提供参考。
【关键词】低压供电系统；SPD ；失效模式
一、前言
随着我国SPD 低压供电系统中SPD 技术的迅猛发展, 低压供电系统中SPD(包括各种低压供电设备) 失效模式及失效原因问题已引起了越来越多的注意,
二、SPD 概述
国民经济的高速发展以及现代化水平的提高，SPD 已被广泛用于邮电通讯、电力、铁道、机场、石化、工民建等各个行业。随着SPD 的大量使用，SPD 火灾事故和雷电防护失效凸显了起来，给国家和企业造成了很大的经济损失。根据SPD 发生的火灾事故和防雷失效事故现场分析及实验室验证：火灾事故是由电源暂态过电压故障使工频电流流入SPD 引发火灾（持续的电源能量使SPD 迅速燃烧），防雷失效事故大多数是SPD 脱离了保护线路造成。
规范中要求电源SPD 安装后备过流保护装置，目的是当SPD 出现金属性短路故障时，保护装置能够迅速切断电路，避免保护开关出现越级脱扣，造成电源系统大面积断电。另外一个作用是防止电源系统出现电压异常升高导致SPD 启动流入工频电流起火。
国内外用于SPD 后备过流保护使用的是熔断器或断路器，这两种保护装置选择正确都能够起到SPD 金属性短路故障切除。当电源系统出现故障--电压升高导致SPD 启动流入工频电流时，由于接地电阻和SPD 导通电阻的作用，电源电流往往达不到保护装置速断值致使SPD 起火燃烧；当两种保护装置速断值选择偏小时，满足了以上两种保护，但雷电冲击电流又会造成速断致使防雷保护失效。公司经过三年多时间，研发成功三种条件下都满足的保护装置-SPD 安规脱扣器，2012年6月北京防雷装置测试中心检测合格，已投入批量生产。
三、SPD 的工作原理
电涌保护器适用于220/380V低压电源保护，是一种非线性元件，根据IEC 标准规定，电涌保护器是主要抑制传导过来的线路过电压和过电流的装置。电涌保护器起到保护作用，基本要求是必须承受预期通过的雷电电流，并且通过电涌
最大钳压，有效熄灭在雷电流通过后产生的工频续流，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而损坏。
浪涌保护器MOV 由三部分组成：中间是一根金属氧化物材料，由两个半导体连接着电源和地线。当产生浪涌时MOV 立即动作，响应时间为1～3毫微秒。MOV 中的“V ”是变阻器，在响应的一瞬间，MOV 的电阻从最大值降到近乎零欧姆，过电流经MOV 流入大地。被保护电气设备继续在正常工作电压下运行。其半导体元件具有随电压变化而改变电阻的性质。当电压低于某个特定值时，半导体中的电子运动产生高电阻。反之，当电压超过该特定值时，电子运动会发生变化，半导体电阻降低接近零欧姆。电压正常，浪涌保护器MOV 闲在一旁，不影响电力线路。
浪涌保护器MOV 优劣的指标：（1）箝位电压：表示将导致MOV 接通地线的电压值。箝位电压越低，表示保护性能越好。（2）能量吸收/耗散能力：此标称值表示浪涌保护器在烧毁前能够吸收多少能量，单位为焦耳。其数值越高，保护性能就越好。（3）响应时间：浪涌保护器不会立刻断开，它们对电涌做出响应会有略微的延迟。
四、SPD 的失效模式
SPD 主要是由两种类型的器件组成。一种类型为限压器件, 即该器件在击穿后, 其两端电压维持在击穿电压附近不再随击穿电流的上升而线性上升, 以限压的方式起到保护作用。常用的限压器件有 TVS 管和氧化锌压敏电阻(MOV) 等。另一种类型为开关器件, 其主要特点是器件导通后的残压很低, 不仅有利于浪涌电压的迅速泄放, 而且也使功耗大大降低。该类型器件的漏电流小, 对线路影响小。常用的开关器件包括气体放电间隙、气体放电管等。
用于低压供电系统中的浪涌电压抑制器件主要有气体放电管、氧化锌压 敏 电 阻 ( 以下简称压敏电阻) 等。压敏电阻的失效模式有压敏电 压 降 低, 压 敏 电 阻 短路, 压敏电阻限制电压升高, 在大冲击电流下压敏电阻炸裂、开路等。
应当注意, 该模式中标称压敏电压的变化用作基本失效判据, 则测试电流的选定会影响到对失效的判定, 测试电流的典型值推荐使用 1mA。压敏电阻限制
电压升高对应于上述规范中规定的高限制电压失效模式。其定义如下: 在这一模式中, 压敏电阻的限制电压, 在与试验前相同的测试电流下, 高于试验前的110%。当施加的冲击电流超过压敏电阻的通流量时, 压敏电阻可能会出现炸裂, 造成开路。
当压敏电阻电阻值远远小于正常状态时, 称为短路失效模式。短路电流通过时, 其电阻通常为毫欧级, 而冷却后其电阻多在千欧级, 同时其非线性指数大大降低。根据长期积累的经验, 氧化锌压敏阻的失效模式绝大部分为短路。
气体放电管有开路、短路、放电电压升高等几种失效模式。当气体放电管泄放的冲击电流超过其耐受能力后, 导致气体放电管炸裂, 气体放电管呈现开路失效模式。当气体放电管呈现出低放电电压和低绝缘电阻状态时, 这种故障模式接近于短路, 此时呈现短路失效模式。气体放电管电弧放电时, 处在电场中加速了的正离子轰击阴极表面, 阴极材料被溅射到管壁上, 阴极被烧蚀, 使间隙距离增加, 管壁绝缘性能变差, 经过多 次 电 弧 放电 后, 放电电压升高到一定程度, 无法向被保护设备提供有效的保护。此时呈现放电电压升高失效模式。
五、SPD 的失效原因分析
1、在 SPD 保护范围问题研究中，通常有雷电波的波长远大于 SPD 与被保护设备间路长度，因此可以用 1 个集中参数π型等值电路模型代替分布参数线路模型，用电路法代替行波法来近似研究线路末端负荷电压的振荡情况。通过这种简化，用电路法可以很简单地得到负荷电压的解析解，清楚地反映出负荷电压的振荡机理，以及负荷、线路参数在振荡过程中所起的作用和影响。仿真结果验证了这种简化分析的正确性和可行性。
2、在 SPD 保护范围分析中，用一个直流分量和一个时变分量来表示 SPD 残压波形的上升沿具有更高的计算精度。当用一个直流分量和一个时变分量来表示 SPD 残压波形的上升沿时，负荷电压的最大值为B maxp DU = U + U，与仿真结果相同。而用直角平顶波来代替 SPD 残压时的负荷电压最大值是2pU ，用直角平顶波近似表示 SPD 的残压波形来研究 SPD 的保护范围，造成的误差较大。此外，用直角平顶波代替 SPD 残压波形进行保护范围分析时，负荷电压的振荡幅值与线路长度没有关系，因此无法用直角平顶波分析 SPD 的保护范围问题。
3、负荷对 SPD 配合的影响主要存在于 SPD 的导通阶段。根据负荷阻抗与
线路波阻抗的大小关系不同，引起的反射电压正负不同，正的反射电压可以加速 SPD 的导通，负的反射电压会延迟 SPD 的导通过程，甚至导致 SPD不动作。而在 SPD 都导通后的配合研究中，由于 SPD 导通阻抗远小于负荷阻抗，此时负荷的影响可以忽略不计。
4、线路电阻对 SPD 保护范围的影响：在电阻负荷情况下，由于负荷电阻远远大于线路电阻，线路电阻的影响可以忽略；在电容和电感负荷情况下，线路电阻对负荷电压提供了阻尼衰减作用，负荷电压最大值明显小于不考虑线路电阻时的最大值，线路电阻起到提高保护效果，增大保护范围的作用。
5、在多分支电路系统的 SPD 保护范围研究中，由于多分支线路波阻抗的并联分流作用，首级 SPD 的导通时间被延迟，对设备的保护有利。当 SPD 为 MOV 型 SPD 时，SPD 的保护效果得到提高，保护范围略有增大。当 SPD 为开关型 SPD 时，在线路末端负荷较小，外加冲击电流幅值较小时，SPD 可能会不动作，造成保护失败。
六、结束语
通过对低压供电系统中SPD 的失效模式及失效原因，较好解决了低压电源系统SPD 装置存在保护盲区问题。 在各方面的建筑等防雷保护中。 SPD将发挥重要的安全保护作用。
参考文献：
[1]杨大晟, 张小青, 许杨. 低压供电系统中SPD 的失效模式及失效原因[J]. 电瓷避雷器.2007(04):43-46.
[2]胡喜, 胡勇坚. 低压配电系统用SPD 脱扣技术的发展趋势[J]. 电瓷避雷器.2013(06):91-94.
[3]李欣, 刘宝全, 陈加清. 电源SPD 后备保护装置失效模式分析[J]. 建筑电气.2013(05):41-45.