电源SPD的热稳定试验在实际运行中的意义
2010-03-17 14:22:19
来源：《半导体器件应用》2010年3月刊
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1 前言
随着电源浪涌保护器在各行各业的使用范围不断扩大，由于电涌保护器失效引起燃烧、爆炸等事故不断发生，用户对保护器失效以后产生的不良后果越来越关注。但电涌保护器在实际运行中，造成保护器失效的关联因素很多，例如：基本参数的选择、雷电感应的强度、电网电压的波动以及人为因素等，所以，当电涌保护器在现场出现问题以后，需要经过了解现场诸多因素和多方面分析，才能确定事故的真正原因。如果把SPD作为主分析对象，通过SPD的一些失效现象来进行分析，可能会简单一些。同时，也可以对SPD的一些重要参数和失效过程有进一步的深入了解。
本文将通过SPD进行热稳定试验的一些数据，结合SPD在现场运行的一些故障情况，对SPD热稳定试验在实际运行中的一些关联性进行了分析，希望能够为事故分析和提高SPD的整体水平有所帮助。下面，从MOV和SPD热稳定试验的小电流和大电流试验与实际运行的关联等方面发表一些看法。
2 氧化锌压敏电阻MOV的热稳定试验
2.1 MOV基片的小电流试验
我们以34S621K的MOV作为试验的主体，将MOV的裸片焊接好电极，采用垂直悬空的方式连接在热稳定试验台上，然后进行小电流试验。图1是采用80mA进行热稳定试验的时间、温度曲线。
根据（图1）进行分析可以看出：当在MOV两端加载恒定的80mA电流时，MOV的整体温度基本上是随时间变化呈斜线线状均匀上升，经过54s的时间，整个MOV的温度达到316.0℃，这时，基片上的焊锡已经完全熔化，基片与金属电极脱离。从上面这个试验来看，当给MOV加载小电流初始阶段，MOV基本上不会出现击穿的现象（不排除有个别击穿的出现），并且能够随时间变化基片温度也随其升高，如果没有脱离装置，最终会导致热击穿。
从（图2）MOV的热成像图上，可以清楚的观察到MOV基片上温度分布的状况，如左图所示：一致性比较好的MOV基片在整个温度上升过程中分布是十分均匀的，当温度达到焊锡熔化的温度时，如果MOV基片处在垂直向下的悬空状态，基片可以从焊片上滑落出来；如果MOV基片的一致性比较差，将会出现如右图所示的现象，当MOV基片上升到一定温度时，由于MOV基片上存在缺陷，会在缺陷部位产生热击穿，造成MOV基片短路，这时如果要使基片从焊片上脱落是十分困难的，因为整个MOV基片要通过热传导达到焊锡的熔点还需要一定时间，另外，如果击穿点有金属片焊接可能会发生与基片的粘连。
通过以上试验可以看出，只要MOV基片的一致性比较好，在进行小电流试验时，基本上都可以做到整体温度均衡的上升（个别现象除外），从此可以推出MOV基片在劣化过程中也基本遵循这个规律。
2.2 MOV基片的大电流试验
我们同样采用34S621K的MOV基片作为试验的主体，然后施加10A的工频电流，MOV基片6s击穿后，延长10s断电。通过试验我们从图3可以清楚地看到，MOV基片在大电流的作用下，从温升到击穿的时间非常短暂，击穿后的基片表面温差比较大，需要经过十几秒的时间才能达到基片整体的温度平衡。
下面有四组图片，图4 ~图7均为10A电流试验下的热成像图，是四个不同生产厂生产的MOV基片，我们根据热成像图对试验结果进行一下简单的分析：
从上面的热成像图我们可以清楚地看到，由于MOV基片击穿点位置不同，在MOV基片上温度的差异也就有所不同。例如：图4、图7两种在MOV基片中间击穿的，基片整体温度就比较均匀；而图5、图6两种在MOV基片边缘击穿的，基片整体温差就比较大。当然，造成MOV基片不同部位击穿除了基片自身的质量水平以外，银层面积、电极的连接、边缘的处理等方面的原因，也同样可以导致MOV基片不同部位击穿。这些现象的发生，对于MOV基片失效以后如何实施有效保护，提供一些参考。
3 电源SPD的热稳定试验
3.1 电源SPD的小电流试验
我们以目前通信电源通用的防雷标准模块(In: 20kA，Uc: 385V)为例，采用YD1235的标准进行试验。在320mA以下电流的试验中，只要模块结构设计合理、MOV一致性比较好的产品，基本上都可以通过试验。少数在试验中出现问题的产品，与MOV的品质、结构的设计及生产工艺有很大的关联。由于小电流试验重点考核电源SPD劣化过程的失效保护，在这里只做简单的介绍，下面我们重点讨论电源SPD的大电流试验。
3.2 电源SPD的大电流试验
电源SPD的大电流试验主要是针对低压配电系统出现系统操作过电压和电力故障时，电源SPD发生故障如何实现失效保护而进行的。这个试验能够比较真实地反映电源SPD在大电流作用下发生失效的主要原因，并且能够为如何制作高可靠性的电源SPD提供帮助。下面我们用热击穿前MOV的热成像图来解释SPD失效后的情况：
从图8我们可以清楚地看到，当MOV基片即将发生热击穿的瞬间，在将被击穿的点附近呈现高热状，白亮区有由大变小的收缩过程，这说明了电流在逐步向击穿点集中。在图5、图6中看到的就是电流击穿以后的状况。这时，在MOV基片上的温度是十分不均匀的，图8上的最高温度为259.3℃，最低温度只有74.8℃，同一基片上的温度相差184.5℃。如果把这种状况引伸到模块化SPD当中，将可能发生下面的结果：
一旦MOV基片被击穿，强大的电流将会通过击穿点，如果SPD的脱扣点正好处于图8所示的低温区域，那么SPD将无法安全脱扣与电网脱离（还有其他原因也可能导致SPD无法脱扣），这时，由击穿产生的电弧和高温将会导致SPD模块发生变形、燃烧造成事故。图9是实验室做热稳定大电流试验时，由于SPD脱扣机构未打开，造成SPD燃烧的照片；图10是SPD在现场被烧毁的照片。
通过对试验样品进行分析，我们发现除了MOV基片自身缺陷会产生以上故障以外，如果产品结构设计、工艺水平、辅助材料等存在问题，都可能导致产品在大电流击穿的时候发生故障。但是有些问题在做热稳定小电流试验时是发现不到的。
4 关于SPD热稳定试验的看法
根据以上试验的情况，可以清楚地看到：作为低压配电系统使用的电涌保护器SPD，只通过热稳定小电流试验认证就上线使用是存在一定风险的，目前在使用现场经常发生的SPD燃烧、爆炸等现象，造成通信中断、设备损坏等事故是与此有很大的关联。所以，我们认为适当增加对电源SPD的热稳定大电流试验，对减少SPD的故障率能够起到积极的作用，特别是对铁路、石油化工、风电等系统许多重要部位使用的SPD，提高可靠性、安全性将会有非常重要的作用。希望能够通过这些试验结果给大家提供一点参考。
致谢：
在本篇文章的写作过程中，得到了张南发老师和髙镇工程师的大力协助，在此，深表感谢！
随着电源浪涌保护器在各行各业的使用范围不断扩大，由于电涌保护器失效引起燃烧、爆炸等事故不断发生，用户对保护器失效以后产生的不良后果越来越关注。但电涌保护器在实际运行中，造成保护器失效的关联因素很多，例如：基本参数的选择、雷电感应的强度、电网电压的波动以及人为因素等，所以，当电涌保护器在现场出现问题以后，需要经过了解现场诸多因素和多方面分析，才能确定事故的真正原因。如果把SPD作为主分析对象，通过SPD的一些失效现象来进行分析，可能会简单一些。同时，也可以对SPD的一些重要参数和失效过程有进一步的深入了解。
本文将通过SPD进行热稳定试验的一些数据，结合SPD在现场运行的一些故障情况，对SPD热稳定试验在实际运行中的一些关联性进行了分析，希望能够为事故分析和提高SPD的整体水平有所帮助。下面，从MOV和SPD热稳定试验的小电流和大电流试验与实际运行的关联等方面发表一些看法。
2 氧化锌压敏电阻MOV的热稳定试验
2.1 MOV基片的小电流试验
我们以34S621K的MOV作为试验的主体，将MOV的裸片焊接好电极，采用垂直悬空的方式连接在热稳定试验台上，然后进行小电流试验。图1是采用80mA进行热稳定试验的时间、温度曲线。
根据（图1）进行分析可以看出：当在MOV两端加载恒定的80mA电流时，MOV的整体温度基本上是随时间变化呈斜线线状均匀上升，经过54s的时间，整个MOV的温度达到316.0℃，这时，基片上的焊锡已经完全熔化，基片与金属电极脱离。从上面这个试验来看，当给MOV加载小电流初始阶段，MOV基本上不会出现击穿的现象（不排除有个别击穿的出现），并且能够随时间变化基片温度也随其升高，如果没有脱离装置，最终会导致热击穿。
从（图2）MOV的热成像图上，可以清楚的观察到MOV基片上温度分布的状况，如左图所示：一致性比较好的MOV基片在整个温度上升过程中分布是十分均匀的，当温度达到焊锡熔化的温度时，如果MOV基片处在垂直向下的悬空状态，基片可以从焊片上滑落出来；如果MOV基片的一致性比较差，将会出现如右图所示的现象，当MOV基片上升到一定温度时，由于MOV基片上存在缺陷，会在缺陷部位产生热击穿，造成MOV基片短路，这时如果要使基片从焊片上脱落是十分困难的，因为整个MOV基片要通过热传导达到焊锡的熔点还需要一定时间，另外，如果击穿点有金属片焊接可能会发生与基片的粘连。
通过以上试验可以看出，只要MOV基片的一致性比较好，在进行小电流试验时，基本上都可以做到整体温度均衡的上升（个别现象除外），从此可以推出MOV基片在劣化过程中也基本遵循这个规律。
2.2 MOV基片的大电流试验
我们同样采用34S621K的MOV基片作为试验的主体，然后施加10A的工频电流，MOV基片6s击穿后，延长10s断电。通过试验我们从图3可以清楚地看到，MOV基片在大电流的作用下，从温升到击穿的时间非常短暂，击穿后的基片表面温差比较大，需要经过十几秒的时间才能达到基片整体的温度平衡。
下面有四组图片，图4 ~图7均为10A电流试验下的热成像图，是四个不同生产厂生产的MOV基片，我们根据热成像图对试验结果进行一下简单的分析：
从上面的热成像图我们可以清楚地看到，由于MOV基片击穿点位置不同，在MOV基片上温度的差异也就有所不同。例如：图4、图7两种在MOV基片中间击穿的，基片整体温度就比较均匀；而图5、图6两种在MOV基片边缘击穿的，基片整体温差就比较大。当然，造成MOV基片不同部位击穿除了基片自身的质量水平以外，银层面积、电极的连接、边缘的处理等方面的原因，也同样可以导致MOV基片不同部位击穿。这些现象的发生，对于MOV基片失效以后如何实施有效保护，提供一些参考。
3 电源SPD的热稳定试验
3.1 电源SPD的小电流试验
我们以目前通信电源通用的防雷标准模块(In: 20kA，Uc: 385V)为例，采用YD1235的标准进行试验。在320mA以下电流的试验中，只要模块结构设计合理、MOV一致性比较好的产品，基本上都可以通过试验。少数在试验中出现问题的产品，与MOV的品质、结构的设计及生产工艺有很大的关联。由于小电流试验重点考核电源SPD劣化过程的失效保护，在这里只做简单的介绍，下面我们重点讨论电源SPD的大电流试验。
3.2 电源SPD的大电流试验
电源SPD的大电流试验主要是针对低压配电系统出现系统操作过电压和电力故障时，电源SPD发生故障如何实现失效保护而进行的。这个试验能够比较真实地反映电源SPD在大电流作用下发生失效的主要原因，并且能够为如何制作高可靠性的电源SPD提供帮助。下面我们用热击穿前MOV的热成像图来解释SPD失效后的情况：
从图8我们可以清楚地看到，当MOV基片即将发生热击穿的瞬间，在将被击穿的点附近呈现高热状，白亮区有由大变小的收缩过程，这说明了电流在逐步向击穿点集中。在图5、图6中看到的就是电流击穿以后的状况。这时，在MOV基片上的温度是十分不均匀的，图8上的最高温度为259.3℃，最低温度只有74.8℃，同一基片上的温度相差184.5℃。如果把这种状况引伸到模块化SPD当中，将可能发生下面的结果：
一旦MOV基片被击穿，强大的电流将会通过击穿点，如果SPD的脱扣点正好处于图8所示的低温区域，那么SPD将无法安全脱扣与电网脱离（还有其他原因也可能导致SPD无法脱扣），这时，由击穿产生的电弧和高温将会导致SPD模块发生变形、燃烧造成事故。图9是实验室做热稳定大电流试验时，由于SPD脱扣机构未打开，造成SPD燃烧的照片；图10是SPD在现场被烧毁的照片。
通过对试验样品进行分析，我们发现除了MOV基片自身缺陷会产生以上故障以外，如果产品结构设计、工艺水平、辅助材料等存在问题，都可能导致产品在大电流击穿的时候发生故障。但是有些问题在做热稳定小电流试验时是发现不到的。
4 关于SPD热稳定试验的看法
根据以上试验的情况，可以清楚地看到：作为低压配电系统使用的电涌保护器SPD，只通过热稳定小电流试验认证就上线使用是存在一定风险的，目前在使用现场经常发生的SPD燃烧、爆炸等现象，造成通信中断、设备损坏等事故是与此有很大的关联。所以，我们认为适当增加对电源SPD的热稳定大电流试验，对减少SPD的故障率能够起到积极的作用，特别是对铁路、石油化工、风电等系统许多重要部位使用的SPD，提高可靠性、安全性将会有非常重要的作用。希望能够通过这些试验结果给大家提供一点参考。
致谢：
在本篇文章的写作过程中，得到了张南发老师和髙镇工程师的大力协助，在此，深表感谢！
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