防雷用過電壓保護器與壓敏電阻器的性能及應(yīng)用

防雷用過電壓保護器與壓敏電阻器的性能及應(yīng)用 鋅壓敏電阻器自 1968年問世以來 ,以其優(yōu)越的非線性導(dǎo)電特性在電力、電子技術(shù)領(lǐng)域被普遍用作線路、設(shè)備及元器件的過電壓保護和浪涌吸收元件，創(chuàng)造了劃時代意義的科技成就。它之所以有如此廣泛的應(yīng)用 ,應(yīng)歸功于其獨特的晶界結(jié)構(gòu)和性能。隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展 ,低壓供電系統(tǒng)及設(shè)備耐受過電壓沖擊的能力越來越被人們關(guān)注，作為過電壓防護的主要元件 氧化鋅壓敏電阻器也得到越來越廣泛的應(yīng)用。眾所周知 ,氧化鋅壓敏電阻器是吸收或釋放線路中存在的雷電感應(yīng)過電壓和操作過電壓的限壓型保護元件 ,同時作為線路系統(tǒng)和設(shè)備的元件 ,還必須承受低壓供電線路和設(shè)備均要承受的暫時過電壓，因此氧化鋅壓敏電阻器在線路中應(yīng)用時必須承受雷電過電壓、操作過電壓和暫時工頻過電壓的沖擊 ,在此條件下它的性能和使用將是人們倍加注意的問題。本文系統(tǒng)論述防雷用氧化鋅壓敏電阻器、過電壓保護器的性能、特點和應(yīng)用。 2 氧化鋅壓敏電阻器的性能 氧化鋅壓敏電阻器是一種以氧化鋅為主體、添加多種金屬氧化物、經(jīng)典型的電子陶瓷工藝制成的多晶半導(dǎo)體陶瓷元件。由于其獨特的晶界結(jié)構(gòu)，在一定電場下，晶界導(dǎo)電由熱電子發(fā)射傳導(dǎo)瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮铀淼纻鲗?dǎo)，其電阻 值隨著電壓的增大而急劇減小，具有優(yōu)異的非線性伏安特性。那么，當存在過電壓時，晶界電子隧道效應(yīng)抑制過電壓峰值增長，吸收部分過電壓能量，從而起到對線路或設(shè)備的防護作用。但是，不論壓敏電阻器應(yīng)用在電力線路或電子線路 ,若各種類型的過電壓頻繁出現(xiàn) ,則壓敏電阻器就會頻繁動作以抑制過電壓幅值和吸收釋放浪涌能量，保護電氣設(shè)備及元器件 ,這勢必會導(dǎo)致壓敏電阻器的性能劣化乃至失效。 壓敏電阻器的失效方式有 3 種 : （ 1）劣化，表現(xiàn)為漏電流增大 ,壓敏電壓顯著下降 ,直至為零 ； （ 2）炸裂，若過電壓引起的浪涌能量太大 ,超過了 所選用的壓敏電阻器極限承受能力 ,則壓敏電阻器在抑制過電壓時將會發(fā)生陶瓷炸裂現(xiàn)象 ； （ 3）穿孔，若過電壓峰值特別高 ,導(dǎo)致壓敏電阻器陶瓷瞬間發(fā)生電擊穿 ,表現(xiàn)為穿孔。 其中，在進行分級防雷保護前提下，壓敏電阻器的失效模式絕大部分表現(xiàn)為劣化和穿孔（即短路），因此，在使用壓敏電阻器時，必須與之串聯(lián)一個合適的斷路器或保險絲，避免電路短路引起事故。 目前，國際上流行的過電壓保護器就是將壓敏電阻器與限流、過流和劣化告警裝置有機地組合在一起，它除了具有過電壓保護功能外，還具有防止自身劣化、導(dǎo)致電路短路的功能。 3 氧化鋅壓敏電阻器與過電壓保護器的應(yīng)用 雷電是一種強電磁波，它會在載流導(dǎo)體中產(chǎn)生瞬間感應(yīng)過電壓。除防護直擊雷電之外，更重要的是防護雷電感應(yīng)過電壓。實際上，雷電對電氣設(shè)備的破壞主要來自感應(yīng)過電壓。因此，對感應(yīng)過電壓的防護已成為人們著重研究的課題。如已發(fā)布了建筑物和電氣設(shè)備內(nèi)部防雷即感應(yīng)過電壓防護的國家標準和 IEC標準。通常，雷電波是通過電源線、信號傳輸線和空間交變電磁場感應(yīng)到線路和電氣設(shè)備中，對線路和電氣設(shè)備的保護應(yīng)從電源系統(tǒng)的防雷、信號系統(tǒng)的防雷和空間屏蔽 3 方面進行。 3.1 電源系統(tǒng)的過電壓防護 依據(jù)線路絕緣結(jié)構(gòu)理論及 IEC61312、 IEC664-1、IEC61643、 GB50097-1994（ 2000 年版）等標準，對建筑物和電氣設(shè)備（如第三類防雷建筑物）進行感應(yīng)過電壓防護的絕緣結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示。其對應(yīng)保護級別如表 1 所示。表 1 過電壓保護的級別 類別劃分 IV 電源水平級初級保護 配電控制水平級 線路負載級：控制電器 小功率設(shè)備 220V/380V線路設(shè)備承受的脈沖電壓 (1.2s/50s)/kV 6 4 2 5 1 5 雷區(qū)劃分 OB 1 1 2 2 3 3 4 額定脈沖電流 (8s /20s) 估計 /kA 75 10 5 3 過電壓保護器選擇及其額定脈沖電流 (8s/20s) 估計/kA MYS9, FD3MYL10100 MYS8,MYS4MYS5, MYS6MYL1B, MYL8,FD240 MYS4,MYS5,MYS6, MYL1MYL2,MYL3 MYL1B,FD120 MYL1,MYL2MYL1B, MYD5 10 額定脈沖電流 (8s/20s) 下峰值電壓 /kV 4 2.5 1.5 0.9 圖 1感應(yīng)過電壓防護 從圖 1 可以看出，在 220V/380V 線路中的每一區(qū)域，都應(yīng)該在其前面并聯(lián)氧化鋅壓敏電阻器或過電壓保護器，雷電感應(yīng)過電壓能量將通過逐級的防雷器件吸收和釋放到大地中，達到保護線路和設(shè)備免受雷電破壞的目的；雖然應(yīng)用于 、 區(qū)域的過電壓保護器具有自身劣化斷開電源的功能，但考慮到不同的接地狀況，還應(yīng)與過電壓保護器串聯(lián)合適的熔斷器或空氣開關(guān)。因 此，必須研制開發(fā)各類過電壓保護器和氧化鋅壓敏電阻器，西安無線電二廠已具有該類產(chǎn)品的開發(fā)和制造能力。 防雷保護元件的設(shè)置，必須遵循線路絕緣配合原則。根據(jù) IEC664-1 標準，各防雷保護元件在其保護區(qū)域的額定脈沖電流條件下的峰值電壓應(yīng)遠小于被保護設(shè)備的脈沖絕緣試驗電壓，西安無線電二廠開發(fā)生產(chǎn)的過電壓保護器和壓敏電阻器在其額定脈沖電流條件下的峰值電壓如表 1 所示，經(jīng)過與國外同型號產(chǎn)品的對比試驗，其產(chǎn)品在額定脈沖電流條件下的峰值電壓具有優(yōu)勢，其它性能指標處于同等水平。 3.2 信號線的過電壓防護 隨著信息技術(shù)的 高速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的重要設(shè)備更易被雷電感應(yīng)過電壓破壞，因此數(shù)據(jù)信號線路的過電壓防護迫在眉睫，隨之產(chǎn)生了由線路結(jié)構(gòu)決定的計算機串口、數(shù)據(jù)線和同軸電纜專用的過電壓保護器。這些防護元件一般由三極放電管與快速嵌位二極管相結(jié)合的兩級保護組成，額定脈沖電流大于 5kA（ 8s/20s ）， 響應(yīng)時間小于 1ns，具有很低的工作電壓、很高的使用頻率和傳速頻率、很低的插入損耗。西安無線電二廠的該類產(chǎn)品已經(jīng)批量生產(chǎn)，其性能完全可以滿足被保護線路的技術(shù)指標。 3.3 設(shè)備的電磁屏蔽 空間電磁場會對其附近一定空間內(nèi)的電源設(shè)備和信號數(shù)據(jù)線路及其元器件產(chǎn)生破壞，目前只能通過對設(shè)備和線路按各自的防雷區(qū)施行多級屏蔽及屏蔽層良好接地的方法來避免此類問題的發(fā)生。但是，感應(yīng)過電壓防護效果與設(shè)計方案、施工質(zhì)量及成本費用有極大關(guān)系，很難達到理想的屏蔽效果。因此對雷電感應(yīng)過電壓的防護主要集中在電源線和信號線系統(tǒng)，特別是在信號數(shù)據(jù)線路中使用的過電壓保護器應(yīng)該具有電磁屏蔽功能。 4 新產(chǎn)品介紹 下面簡單介紹一下西安無線電二廠的幾種新產(chǎn)品。 4.1 工頻電源和直流電源的過電壓保護元件 4.1.1MYS 報警指示 型過電壓保護器（ MYS1 MYS9） 氣象、通訊、郵電、金融、公安、民航等系統(tǒng)的 220V/380V交流電源或直流電源可采用 MYS4、 MYS5、 MYS6、 MYS8、 MYS9 型過電壓保護器及防雷箱，其性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)見表 2 和表 3。這些產(chǎn)品的特點如下：表 2 過電壓保護器的性能 型號 額定通流容量(8s/20s)/kA 電流熔斷器熔斷電流（額定） /A 報警方式 安裝方式 MYS4 20 50 組件報警，聲光、遠程監(jiān)控 35mm 標準軌道 MYS5 20 63 單件報警遠程監(jiān)控 35mm 標準軌道 MYS6 20 63 單件報警遠程監(jiān)控 平板安裝 MYS8 40 100 單件報警遠程監(jiān)控 35mm 標準軌道 MYS9 100 250 單件報警，聲光、遠程監(jiān)控 平板安裝 表 3 壓 比 特 性 對 比 樣品來源 V1kA/V1mA V3kA/V1mA V5kA/V1mA V10kA/V1mA V15kA/V1mA V20kA/V1mA 西無二 1.67 1.85 2.01 2.48 2.80 3.16 DHEN 1.72 1.98 2.15 2.66 3.00 3.45 注：德國 OBO公司、德利和 DEHN公司、法國索爾公司 的產(chǎn)品均采用西門子公司的瓷片。 （ 1）產(chǎn)品的通流能力達 20kA 100kA，殘壓很低； （ 2）響應(yīng)速度快（ 25ns ）； （ 3）外殼材料采用美國杜邦公司的阻燃性能良好的尼龍材料 ,阻燃等級為 UL94V-0 級； （ 4）采用最先進的模塊化設(shè)計，無需切斷電源和松開接線端子便可進行產(chǎn)品更換，采用國際通用標準軌道，安裝簡捷； （ 5） 該類產(chǎn)品可與斷路器、熔斷器、聲光報警器或遠程集中報警器組合成 FLX型電源過電壓保護箱，具有劣化指示、聲光報警功能和遠程監(jiān)控報警端子； （ 6）采用系列化設(shè)計，可實現(xiàn)線路縱橫向不同保護方式的需要。 4.1.2FD3 型過電壓保護器 這種產(chǎn)品的特點如下： （ 1）可用于 220V/380V 低壓線路的初級過電壓防護（相線、零線對地線），即 OB 1 防雷區(qū)； （ 2）通流容量達 60kA（ 10s/350s ），保護水平為4kV，響應(yīng)時間為 100ns； （ 3）標準軌道安裝，方便快捷。 4.1.3FD1、 FD2 型過電壓保護器 這些產(chǎn)品的特點如下： （ 1）用于 220V/380V 低壓線路 TN(TNS,TNC)、 TT系統(tǒng)中的 N PE等電位防護； （ 2）與 MYS4、 MYS5、 MYS6、 MYS8 配合進行工頻電源的過電壓保護； （ 3） FD1、 FD2 的通流容量分別為 20kA、40kA(8s/20s) ； （ 4）可以隔離不同接地，避免其相互影響； （ 5）標準軌道安裝，方便快捷。 4.1.4MYL1 MYL10 型壓敏電阻器 該產(chǎn)品的特點是 : （ 1）通流能量為 3kA 100kA； （ 2） 殘壓遠低于產(chǎn)品標準要求 ,如對 32瓷片 V1mA120V 時 ,V2.5kA/V1mA=3.55(標準為 4.46) V1mA150V 時 ,V5kA/V1mA=2.0(標準為 3.08)； （ 3）已取得 UL認證 ,并批量遠銷美國 GE公司 ,如MYL1B/40,MYL1B/65。 4.1.5 通用型 MYD壓敏電阻器 5 20 該產(chǎn)品的特點是 : （ 1）通流能力 (8s/20s) 為 50A 6500A； （ 2）每種型號的性能水平達到日本松下公司 1996/1997 樣品的水平 ,尤其是最大峰值電流 (8s/20s) 是國家 標準SJ/T10348 10349-1993 指標的兩倍。 4.2 信號線的過電壓保護元件 4.2.1BYC1-09、 BYC1-25/S-P(P-S)型串口保護器 用于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和設(shè)備的精細級過電壓保護器，廣泛應(yīng)用于郵電、通訊、證券、氣象、學(xué)校、企業(yè)等領(lǐng)域的計算機及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的 RS-232CD 微型 9 針， 25針串行接口的保護。 4.2.2 程控交換機配線架防雷模塊 BYF201、 BYF204 該產(chǎn)品采用限壓型和開關(guān)型防雷元件組合的三端防雷模塊 ,其通流容量為 5kA，保護水平為 400V，響應(yīng)時間