浪涌保护器老化劣化测试.docx

1、电源 SPD 老化劣化测试1SPD1.1 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

2、， 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

3、 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

4、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

5、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（ 109 ） ； 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

6、 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

7、 特 点 是 非 线 性 特 性 好 （ I=CU 中 的 非 线 性 系 数 ） ， 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

8、 电 流 ； 响 应 时 间 。 压 敏 电 阻 的 使 用 条 件 有 ： 压 敏 电 压 ： UN （ 21.2） /0.7U0（ 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

9、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=CU ， 上 式 中 为 非 线 性 系 数 ， 对 于 齐 纳

10、二极 管 =7 9， 在 雪 崩 二 极 管 =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 。 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”。 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

11、 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”。 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

12、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

13、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 SPD2.1 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

14、 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

15、 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

16、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

17、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 （

18、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

19、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

20、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GBIEC 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

21、， 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

22、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

23、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

24、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

25、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

26、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 SPD级冲击实验的波形。规范规定流过 SPD 通过冲击实验

27、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、A2A10;B1、B2B10）;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

28、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。32.2 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、A12A15；B11、B12B15） ；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

29、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、A17A20，B16、B17B20；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

30、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

31、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。