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雷电防护中金属氧化锌阀片使用研究
摘要：雷电防护过程中，由雷击电磁脉冲引起的干扰破坏，目前通常使用电涌保护器来实现对微电子设备的保护。电涌保护器采用的金属氧化锌阀片主要采取两种连接方法：一个是以美、英为主的采取多片金属氧化锌并联使用，使用的标准为UL1449第二版，另一个是以法、德为主德采取单片金属氧化锌技术，使用的标准为IEC61643-1-2。金属氧化锌阀片并联使用的优点可以得到较大的通流容量，防止单片金属氧化锌阀片击穿后冒烟和爆炸，但欧洲及国内一些专家认为多片金属氧化锌阀片并联使用，由于漏流、压敏电压等性能不一致，造成能量分配不均匀，产生阀片热崩溃。作者带这这些问题在美国JOSLYN公司实验室做了试验，得出了一些非常有价值的测试数据。分析认为：金属氧化锌阀片只要进行一定的筛选、配对、并采取适当的措施是可以并联使用的。
关键词：雷电防护 氧化锌阀片 并联使用 测试研究
一、 前言
大气中的雷电现象会给人类的生存和社会活动带来危害，对它的防护问题一直是人们关心的问题。随着社会经济和科学技术的发展，微电子设备的广泛应用，我们不仅耀注意预防对影响建筑物或其它物体的直击雷灾害，而且对雷击电磁脉冲（LEMP）的防护更给足够地重视[1] [2] [3]，目前国内外在实施雷电防护过程中对于LEMP的防护，通常是采用电涌保护器（SPD）（SURGE PROTECTIVE DEVICES）限制瞬态过电压和引导泄放电涌电流来实现[4] [5] [6]，现在一般在SPD中使用的主要器件为：金属氧化锌（MOV）阀片、放电间隙、气体或固体放电管、滤波线圈、瞬变二极管（SIDACTOR）等，而使用在低压线路（220V～/380V～）中的SPD、绝大多数是使用MOV阀片。在低压电路中为了达到25～50ns高速响应时间，国际上MOV阀片的直径一般控制在14～20mm左右，最大通流容量一般在60～70KA，电流波形为8/20μs。美国在UL1449第二版《瞬时电压浪涌保护器标准》TVSS（TRANSIENT VOLTAGE SURGE SUPPRESION）中建议[7]，采用多片MOV阀片并联使用，以达到更大的通流容量。由于目前在国内外多片MOV阀片并联技术的测试试验和分析研究工作还不多，所以对这一技术在雷电防护中使用也存在不同看法。本文针对上述问题，试图通过在美国JOSLYN公司实验室的测试试验，以及对样本和数据的分析，对多片MOV阀片并联技术的使用给出了肯定的答复。
二、MOV阀片的主要性能
MOV阀片的主要成分为氧化锌（ZnO），并渗有少量的其它氧化物，外层由两层铅和一层塑料涂层组成[8]，在低压电源系统中，一般采用圆形的直径为14mm和20mm的MOV阀片。在直流电压为3KV下，电容量分别为5600PF和22000PF，标称通流容量分别为4KA和6.5KA，电流波形为8/20μs。MOV阀片两端电压低于压敏电压时，呈高阻抗状态。当电压高于压敏电压时，由于阀片内的齐纳效应和雪崩效应，迅速呈低阻抗。电压低于压敏电压又回到高阻抗状态。MOV阀片的好坏主要决定以下一些参数。
1、压敏电压
当温度为20℃，一般认为在MOV阀片上有1mA电流流过的时候，相应加在该阀片上的电压叫做压敏电压。应按如下公式计算：
Vn≥（VNII×√2 /0.7）1.2
式中：VN――MOV阀片压敏电压值
VNH――电源额定电压值（有效值）
压敏电压冲击前后的变化率应小于±10％
2、漏电流
MOV阀片在标称持续工作电压下流过阀片的电流称为漏电流。按国家标准应小于30μA。冲击前后的变化率应小于200％。
3、残压及残压比
在规定波形、标称放电电流冲击氧化锌阀片，阀片两端测到的电压峰值，称为残压。
残压与压敏电压的比值，称为残压比。
一般情况下残压比应≤3。
三、MOV阀片的并联使用
在保证高速响应的前提下，要提高TVSS或SPD的通流容量，一般采取多片并联使用。欧洲及国内一些专家认为多片MOV阀片并联使用，由于阀片性能不一致，可能产生雷电能量分配不均匀，造成MOV阀片的温度升高，性能下降，导致热崩溃，或提早老化、失效，因此不主张采取多片氧化锌阀片并联使用。但目前国际上使用在低压电源配电系统上的单片MOV阀片的最大通流容量只能达到60-70KA（8/20μs）满足不了实际工程的需要，所以对于MOV阀片并联使用的研究具有十分重要的意义。
四、在美国JOSLYN实验室测试资料分析
美国JOSLYN公司是雷电浪涌防护的专业公司，从1950年就开始专门研究雷电和瞬间过电压保护。JOSLYN公司从1979年以来一直生产并行MOV的TVSS、产品遍布世界130多个国家的通信、电力、交通、航空、金融、计算机网络等。美国总统座机空军一号就采用了该公司的产品。作者与美国JOSLYN公司实验室的Hans Steinhaff博士进行了以下的测试。
（一）测试仪器
1、Keytek 587型8/20μs波形标准冲击试验仪。
2、Keytek S1/S3、S4/S5/S6及S7的浪涌网络单元。
3、Peason 301x型电子宽带电流变换器。
4、7A26双踪放大器。
5、Tekronix7835存储式示波器。
（二）样本的抽取
本次试验一共抽取三组样本，A组是随机从一批产品中抽取50片MOV阀片；B组从一批阀片中选取1mA压敏电压最高和最低的MOV阀片各25片；C组是从一批MOV阀片产品中抽出压敏电压最高的25片，从另一批产品中抽出压敏电压最低的25片样品。所有的MOV阀片在同一等级通流容量下冲击两次，表1显示了通过每组MOV阀片受冲击后电流的平均值及占总电流的百分比。表中A1、A2是从A组中选出每两片MOV阀片配为一对（共25对），并联后经同一电流冲击两次测得得平均数值。B1、B2是从B组中选出压敏电压最高和最低得MOV阀片各片配为一对（共25对），并联后经同一电流冲击两次测得平均数值。C1、C2是从C组中选出压敏电压最高和最低的MOV阀片各片配为一对（共25对），并联后经同一电流冲击两次测得的平均数值。
表1 每组MOV阀片电流平均值（A）及百分比
冲击电流（A） A组电流 百分比％ B组电流 百分比％ C组电流 百分比％
A1 A2 A1 A2 B1 B2 B1 B2 C1 C2 C1 C2
125 71 66 52 48 114 22 84 16 120 16 88 12
500 250 245 51 49 370 130 74 26 390 100 80 20
750 380 375 50 50 530 225 70 30 560 180 76 24
3000 1500 1490 50 50 1750 1200 59 41 1800 1200 60 40
10000 4750 4750 50 50 5250 4200 56 44 5400 4000 57 43
表2显示了MOV阀片冲击前后，1mA压敏电压变化情况，并且给出了冲击前后正负极1mA压敏电压的变化。
表2 冲击前后正负极压敏电压平均值（V）
样品 冲击前 冲击后
正负 正负
A1238 239 240 243
A2237 238 239 242
B1225 224 224 224
B2251 251 251 255
C1227 227 226 229
C2254 254 248 257
（三） 资料分析
从表1不难看出，A组同一批发货样品中抽出的MOV阀片，即使没有经过严格筛选、配对，不管在小电流还是大电流冲击情况下，并联两片MOV阀片上吸收的能量基本平衡，但在B组同一批产品中，抽出MOV阀片压敏电压最高和最低配对。在小电流（125－750A）冲击下，两片并联MOV阀片上吸收的能量是不平衡的，最大误差在84％和16％。在大电流（3000～10000A）冲击下，两片并联MOV阀片吸收的能量基本平衡，最大误差在59％和41％。C组为不同批次中抽取的最高和最低压敏电压MOV阀片配对，在小电流（125～750A）冲击下，两片并联MOV阀片上吸收能量更不平衡，最大误差在88%和12％，比B组还要大，但在大电流（3000～10000A）冲击下，两片并联MOV阀片上电流也还基本平衡。
五、JOSLYN实验室做的其它辅助测试
（一）、近来JOSLYN公司从一批产品中任意抽取6各使用3片20mmMOV阀片并联的TVSS，冲击电流为1500A，波形为8/20μs，经过10000次冲击试验（记录了2500次的测试），其中5各TVSS经过10000次冲击后，1mA下的压敏电压变化率≤±10％，另一个在8500次冲击测试后，1mA下压敏电压变化率＞10％。
（二）、另一个测试将4片MOV阀片并联，不用刻意去匹配，冲击电流为10000A，波形8/20μs，一共冲击220次，然后分别在测试前、中、后4片并联MOV阀片的1mA压敏电压变化率为+7.3～7.5％，每一片MOV阀片的1mA压敏电压变化率为+5.3～6.7％。
（三）、另一个制造商生产的TVSS，也使用上述同样的方法测试，在220次冲击后，总的1mA压敏电压变化率为12.4～20.9％，在10000A冲击电流下，40~60次冲击后，1mA压敏电压产生了大于10％的变化。
六、结论
（一）、由于MOV阀片性能不一致，特别是1mA下压敏电压不一致，会造成在小电流（125～750A）冲击下多片MOV阀片并联时，每个阀片吸收雷电能量不一致。
（二）、在大电流（3000～10000A）冲击下，即使MOV阀片性能不太一致，多片并联使用时每片MOV阀片吸收雷电能量基本一致。
（三）、因此，只要对MOV阀片略加挑选配对，且利用保险丝阻抗帮助平衡电流，多片MOV阀片是可以并联使用的，不会因吸收能量不一致而产生热崩溃或提早老化。
参考文献：
⑴ R.H.Golde 《Lightning》1997
⑵ 苏邦礼等《雷电避雷工程》1998
⑶ GB 50057-1994 《建筑物防雷设计规范》（2000年版）
⑷ IEC61643-1 1998 《连接至低配电系统电涌保护器》第一部分性能要求和试验方法
⑸ IEC61643-2/Ed1.0 2000 《连接电信网络及信号网络的电涌保护器》第一部分性能要求和试验方法
⑹ IEEE 《低压防浪涌装置性能》
⑺ UL 1449第二版 《瞬时电压浪涌保护器标准》TVSS
⑻ 彭济南、叶德平等“氧化锌线性电阻中性电接地电阻器” 《电瓷避雷器》2001.6
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发表于 2007-10-25 14:54:03
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