浪涌保护器老化劣化测试.docx

电源SPD老化劣化测试
1．SPD
1.1 SPD的概念
浪涌保护器（SPD），也叫防雷器，是一种为各种电子设备、仪器仪表、通讯线路提供安全防护的电子装置。当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。
SPD是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，其作用是把窜入电力线、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。
1.2 SPD的基本特点
（1）保护通流量大，残压极低，响应时间快；
（2）采用最新灭弧技术彻底避免火灾；
（3）采用温控保护电路，内置热保护；
（4）带有电源状态指示，指示浪涌保护器工作状态；
（5）结构严谨，工作稳定可靠。
1.3 SPD的基本元器件
1）放电间隙（又称保护间隙）：
　　它一般由暴露在空气中的两根相隔一定间隙的金属棒组成，其中一根金属棒与所需保护设备的电源相线L1或零线（N）相连，另一根金属棒与接地线（PE）相连接，当瞬时过电压袭来时，间隙被击穿，把一部分过电压的电荷引入大地，避免了被保护设备上的电压升高。这种放电间隙的两金属棒之间的距离可按需要调整，结构较简单，其缺点是灭弧性能差。改进型的放电间隙为角型间隙，它的灭弧功能较前者为好它是靠回路的电动力F作用以及热气流的上升作用而使电弧熄灭的。
　　2）气体放电管：
　　它是由相互离开的一对冷阴板封装在充有一定的惰性气体（Ar）的玻璃管或陶瓷管内组成的。为了提高放电管的触发概率，在放电管内还有助触发剂。这种充气放电管有二极型的，也有三极型的，
　　气体放电管的技术参数主要有：直流放电电压Udc；冲击放电电压Up（一般情况下Up≈（2～3）Udc；工频耐受电流In；冲击耐受电流Ip；绝缘电阻R（>109Ω）；极间电容（1-5PF）
　　气体放电管可在直流和交流条件下使用，其所选用的直流放电电压Udc分别如下：在直流条件下使用：Udc≥1.8U0（U0为线路正常工作的直流电压）
　　在交流条件下使用：U dc≥1.44Un（Un为线路正常工作的交流电压有效值）
　　3）压敏电阻：
　　它是以ZnO为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻，当作用在其两端的电压达到一定数值后，电阻对电压十分敏感。它的工作原理相当于多个半导体P-N的串并联。压敏电阻的特点是非线性特性好（I=CUα中的非线性系数α），通流容量大（～2KA/cm2），常态泄漏电流小（10-7～10-6A），残压低（取决于压敏电阻的工作电压和通流容量），对瞬时过电压响应时间快（～10-8s），无续流。
　　压敏电阻的技术参数主要有：压敏电压（即开关电压）UN，参考电压Ulma；残压Ures；残压比K（K=Ures/UN）；最大通流容量Imax；泄漏电流；响应时间。
　　压敏电阻的使用条件有：压敏电压：UN≥[（√2×1.2）/0.7]U0（U0为工频电源额定电压）
　　最小参考电压：Ulma≥（1.8～2）Uac （直流条件下使用）
　　Ulma≥（2.2～2.5）Uac（在交流条件下使用，Uac为交流工作电压）
　　压敏电阻的最大参考电压应由被保护电子设备的耐受电压来确定，应使压敏电阻的残压低于被保护电子设备的而损电压水平，即（Ulma）max≤Ub/K，上式中K为残压比，Ub为被保护设备的而损电压。
　　4）抑制二极管：
抑制二极管具有箝位限压功能，它是工作在反向击穿区，由于它具有箝位电压低和动作响应快的优点，特别适合用作多级保护电路中的最末几级保护元件。抑制二极管在击穿区内的伏安特性可用下式表示：I=CUα，上式中α为非线性系数，对于齐纳二极管α=7～9，在雪崩二极管α=5～7.　
1.4 SPD的基本分类
1.4.1按工作原理分类
按其工作原理分类，SPD可以分为电压开关型、限压型及组合型。
⑴电压开关型SPD。在没有瞬时过电压时呈现高阻抗，一旦响应雷电瞬时过电压，其阻抗就突变为低阻抗，允许雷电流通过，也被称为“短路开关型SPD”。
⑵限压型SPD。当没有瞬时过电压时，为高阻抗，但随电涌电流和电压的增加，其阻抗会不断减小，其电流电压特性为强烈非线性，有时被称为“钳压型SPD”。
⑶组合型SPD。由电压开关型组件和限压型组件组合而成，可以显示为电压开关型或限压型或两者兼有的特性，这决定于所加电压的特性
1.4.2按用途分类
按其用途分类，SPD可以分为电源线路SPD和信号线路SPD两种。
1.4.2.1 信号线路SPD
信号线路SPD其实就是信号避雷器，安装在信号传输线路中，一般在设备前端，用来保护后续设备，防止雷电波从信号线路涌入损伤设备。
1.4.2.2电源线路SPD
电源浪涌是电路中持续约百万分之一秒的瞬态过电压。比如系统工作电压为380V的马达可通过几千伏的绝缘测试，而一个在电路板上工作电压为5V的芯片不可能有与马达相同的绝缘强度。电源浪涌保护器是一个复杂的产品，它不仅仅是一个电气部件，它是将不同功能的部件精密地组合在一个电路中，以最短的时间（纳秒级）内将被保护线路接入等电压系统中，使设备各端口等电位，同时释放在电路上因雷击而产生的大量脉冲能量，将其短路泄放到大地，降低设备各端口的电位差。该系列产品可以极其有效地抑制由雷电引起的感应过电压及系统操作过电压，保护设备安全，保障系统的正常运行
2.电源SPD
2.1 电源SPD的主要结构(压敏电阻)
压敏电阻是SPD的基本元件，SPD的老化主要是有压敏电阻有关参数发生改变而造成。
ZnO压敏电阻片因有其良好的非线性和大电流吸收能力,现已广泛应用于大型电气设备.电力系统.低压电源系统和信息系统的电涌防护中.它的性能好坏直接影响保护的效果.一个性能良好的氧化锌压敏电阻经受电涌冲击后,其电气特性应返回到初始状态,然而系统运行过程中由于受到雷电流.操作过电压.高温.高湿等外部环境的影响,使压敏电阻出现老化和劣化的现象.降低了浪涌保护能力,古必须对其进行定期检查测.防止老化劣化产品任工作在系统中.目前一般采用压敏电压和漏电流对老化程度进行判定,但这些参数只能反映氧化锌压敏电阻得整体性能,不能反映老化劣化的程度.无法对氧化锌压敏电阻的状态提供可靠的判断依据.
因此，研究压敏电阻老化和劣化的测试参数更为重要。目前研究发现压敏电阻得非线性特性与其配方.热处理和烧结过程有着重要影响。
2.2电源SPD的工作原理
原理：HDL电源浪涌保护器分为防爆箱式和模块式两种。均采用了一种非线性特性极好的压敏电阻。在正常情况下，浪涌保护器处于极高的电阻状态，漏流几乎为零，从而保证电源系统正常供电。当电源系统出现浪涌过压时，HDL电源浪涌保护器立即在纳秒级的时间内导通，将过电压的幅值限制在设备的安全工作范围内，同时将浪涌能量入地释放掉。随后，浪涌保护器又迅速变为高阻状态，从而不影响正常供电。
应用领域：HDL电源浪涌保护器适用于交流50/60Hz，额定工作电压380V的TT、TN-S、TN-C、IT等供电系统及工厂低压动力和控制系统，对间接雷电和直接雷电影响或其他瞬时过电压的浪涌进行保护，主要适用于住宅，第三产业及工矿企业等领域浪涌保护要求。
作用：HDL电源浪涌保护器就是在最短时间（纳秒级）内将被保护线路接入等电压系统中，使设备各端口等电位，同时释放在电路上因雷击而产生的大量脉冲能量，将其短路释放到大地，降低设备各端口的电位差。HDL适合于220/380V供配电系统的瞬态过电压保护，该产品可以及其有效地抑制由雷电引起的感应过电压及系统操作过电压，保护设备安全，保障系统的正常运行。
适用范围：主要适用于配电室、配电柜、和其它重要场所总电源，移动通信基站，微波通信局／站，电信机房，工厂，民航，金融，证券等系统的主电源防护。
2.3电源SPD的特点及用途
特点:易辨识的状态显示可以方便维护人员了解浪涌保护器的工作状态，易维护；
35mm的标准导轨式安装；
浪涌识别技术：在模块内装入识别开关，此开关可以识别浪涌，正常工作时处于常开状态，仅在出现浪涌的5ns闭合。此开关可以防止漏流，延缓元件老化，提高产品寿命；
独特的热备份保护功能：在雷击电流过大造成产品击穿后，产品会出现红色脱扣警示，并且投入备份阀片工作，在保护器没及时更换时，还具备同等的防护功能。此功能是根据我们多年来的经验研发而成，对防护频繁的操作过电压和雷电感应过电压有巨大和深远的意义；
采用分级防雷的理念：例如系统工作电压为380V的马达可通过几千伏的绝缘测试，而一个在电路板上工作电压为5V的芯片不可能有与马达相同的绝缘强度。
　装置通过了中华人民共和国气象局防雷办的认证。产品的研发生产严格按照GB／IEC标准。
1.可靠的热脱扣保护装置
2. 独特的短路过流脱扣功能
3. 独特的热备份功能
4. 浪涌识别技术
5. 可靠的老化告警方式
6. 流通量大，残压低
7. 相应时间快
8. 防雷箱采用一体化设计，外型美观，安装方便，模块式的采用标准化设计，更换方便，标准35mm导轨，可直接装入配电柜和配电箱。
9．声光报警系统。
3．电源SPD老化.劣化测试
3.1电源SPD老化.劣化的概念及原因
老化现象：金属氧化物限压器通常不带串联间隙，因此工作电压将长期作用在限压器内的电阻片上，长期有泄漏电流流过。对于工频电压，电流中包括一定分量的阻性电流。虽然阻性电流幅值相对与容性电流要小，但有可能随时间逐渐增加，并导致功率耗损的增加，即ZnO非线性电阻存在老化现象。老化将影响工作的稳定性和可靠性，并最终可能导致热破坏。
ZnO阀片的老化是指其在各种外加应力及外加因素作用下，其性能及电气物理参数发生改变，逐渐偏离其起始性能指标。外加应力包括电应力和热应力。电应力和热应力包括长期工作电压，如直流和交流电压，也包括各种过电压作用下短时间下的冲击电流。
主要老化现象：（1）老化主要集中在预击穿区，击穿区的老化程度比较小；
（2）老化将导致其阻性电流及功率损耗增加，电容减小和介质损耗增大；
（3）在直流电流的作用下，老化试验后ZnO阀片的正反向U-I特性曲线发生不对称漂移；在交流作用下，发生对称漂移；
（4）随着老化试验时间.环境温度或施加电压的增加，老化程度将加剧;
（5）进行适当的热处理可以提高阀片的耐老化性能，并在一定程度上恢复已老化阀片的特性。
原因：温度，电位分布不均匀，肖特基势垒的畸变。（由晶界区域的离子的迁移造成的，据分析，迁移离子主要是填隙锌离子。）
3.2测试电源SPD老化劣化的方法及判断老化程度
老化劣化分析：
老化劣化是MOV在使用过程中必然存在的现象，受持续过电压，大电流电流冲击，受潮等因素影响。其老化结果在外部的老化劣化参数上都表现为氧化锌压敏电阻非线性V-I特性降低、压敏电压降低、漏电流增大等现象。通过分析老化劣化时内部机制的作用，可以为生产厂家提供依据，使其制作工艺，特别是对MOV致密化程度提出更高的要求，使其制作工艺更加完善，更好的避免受潮等老化劣化环境，同时也可以改进测试方法，及时检验出已老化劣化的的MOV型SPD。
通过不同老化劣化实验，结合MOV内部晶界结构，分析得出MOV的老化是内部晶界层性能变化的结果。
由于目前检测参数U1MA(压敏电阻)和Ileakage(漏电流)不能对MOV老化程度做出及时有效的判断。因此,研究一种能够考量MOV老化程度的方法尤其重要。根据影响MOV电容的主要因素以及晶界肖恩特基势垒变化、离子迁移理论等氧化锌压敏电阻的老化机理,提出了氧化锌压敏电阻老化过程中必然伴随电容量的变化。通过工。标称值冲击、Imax大电流冲击、热稳定性试验和受潮四种方法对MOV型SPD进行老化劣化试验,发现：MOV的电容量均随老化程度增加而呈现上升趋势；在I。标称值冲击下,MOV电容量随冲击次数近似线性上升。通过实验,首次提出了电容量增幅具有考量MOV老化程度的重要意义。结合U1mA、Ileakage和电容量3个参数分析MOV内部劣化原因,认为MOV的老化劣化是内部晶界特性改变的结果,其试验后老化劣化结果及分析更加验证了离子迁移的老化机理。
利用北京防雷装置测试中心，高压冲击实验设备和安全性能设备对同种型号不同厂家A、B两组产品，进行不同老化劣化实验，并测试实验过程中，压敏电压、漏电流、电容量三个参数值。模拟不同老化劣化环境，测试不同老化劣化环境下，各参数变化值，分析不同的实验手段对其老化劣化的影响，分析老化劣化原因，为合理的老化劣化检测手段提供依据。
实验产品为MOV型SPD应用广泛型号，其标志参数为Uac：385V，In:20kA,Imax:40kA，Up:2.0kA。实验选取不同厂家A、B相同型号各试验品20份、40份。下列为不同方法。
测试方法
3.2.1 8/20微秒波形冲击实验
包括In和Imax冲击试验。8/20微秒冲击实验是GB18802.1-2002和IEC61643 等范围中，对于MOV型SPD测试的主要冲击测试手段，是MOV型SPDⅡ级冲击实验的波形。规范规定流过SPD通过冲击实验时的电流峰值称为标称放电电流In，Imax=2In.其波形如图3.1：

图中：T1是指波头上升时间；T2是指半幅值时间
本实验利用北京测试中心PSPRGE30.2冲击电流发生器，对同种型号不同厂家两组进行分别进行In和Imax8/20微秒冲击实验，直至所测试品出现明显老化劣化。
具体实验为：1）对不同厂家A、B各个试品编号（A1、A2…A10;B1、B2…B10）;A1-A5，B1-B5进行Imax冲击实验。
2）测试各试品冲击实验前，In、Imax和电容量C三个参数值。
3）将各试品按分组实验，进行冲击试验，并进行记录试验后各参数。
4）冲击至试品出现明显老化劣化特征，具体为：冲击后，示波器试品非线性V-I特性降低明显、压敏电压降低值较多、漏电流增大值明显。对于此次冲击实验还可能出现阀片炸裂等现象。
3．2.2 热稳定老化实验
1）选取不同厂家A、B各5份试品，对各个试品编号（A11、A12…A15；B11、B12…B15）；
2）测试各试品热稳定试验前，In、Imax和电容量C三个参数值。
3）对各试品依次测试2.5mA.10mA.20mA.40mA各10分钟和80mA(预计10分钟，实验过程中，各试品在此阶段均出现脱扣和炸裂现象)。并在老化试验各个阶段测试In、Imax和电容量C三个参数值。
4）区别于热稳定试验，电流增大测试过程中，试品均处于加压状态，即各个测试阶段，试品一直处于高温状态；本实验中，为测试参数需要，各测试品在测试阶段需要脱离测试设备，并将试品冷却至室温。因此，此试验仅利用热稳定试验老化原理，有别于规范中热稳定性试验。
3.2.3 受潮实验
1）选取厂家A、B各5份，对各个试品进行编号（A16、A17…A20，B16、B17…B20；
2）测试各试品受潮试验前，In、Imax和电容量C三个参数值。
3）对各试品均采取相同钻孔处理。
4）将钻孔试品，置于防雷测试中心SUNAN高温湿热箱中，分阶段先后进行12H，24H，48H，120H不同时间受潮实验。
5)对受潮试品，测试其受潮后，各性能参数值，所测参数值为U1mA，Iakage（漏电流）和电容量C。
6）对受潮试品，测试其受潮后各参数外，将各阶段受潮试品，烘干后再测三参数，具体分析受潮对MOV型SPD的劣化影响。
3.2.4 判断老化程度
电容量、压敏电压和漏电流参数的变化。
3.3 总结
在MOV老化劣化过程中，均伴随有电容量增大的现象。不同劣化环境，增大幅度不同，其劣化效果也存在差异，由实验分析可得到如下结论：
1)In标称电流冲击下，电容量随冲击次数近似线性增大，从而可以根据电容量增大幅值判断劣化程度。
2）因为电容量增大很小的幅度就表明劣化程度严重，所以要利用好电容量对老化劣化程度的判断。
3）MOV劣化存在晶界击穿与晶界势垒变化两种劣化原因。晶界击穿导致晶粒融合，电容量增值幅度大；而晶界势垒变化，主要表现为势垒高度降低和势垒宽度变窄，晶界层仍然存在。因此，此劣化原因下，电容量增幅不大。综上所述，可以通过老化劣化前后电容量变化幅度，结合U1mA和Ileakage,对老化劣化原因作出分析。在老化劣化过程中，若增大幅度不大，则老化并未发生或极小部分发生晶界击穿融合现象，这种情况，属于肖恩特基势垒高度降低等畸变引起的性能降低；若电容量相对初始值增大幅度很大，且同时压敏电压降低非常明显，则老化劣化可能出现晶界击穿或晶粒融合现象。
4）受潮时电容量明显增大，但其内部晶粒结构并未遭受实质性损坏，干燥后仍具有良好的压敏特性。所以相对潮湿度较高的地方，MOV型SPD应放在干燥的地方，或采取除湿装置，避免受潮。