雷電防護中金屬氧化鋅閥片使用研究

電防護中金屬氧化鋅閥片使用研究
蔡振新 陳善敏
CaiZhenxin ChenShanmin
(1．上海市防雷中心 上海200030 2．中國華云技術開發公司 北京100081)

摘要：在雷電防護過程中，由雷擊電磁脈沖引起的干擾破壞，目前通常使用電涌保護器來實現對微電子設備的保護。國際上電涌保護器采用的金屬氧化鋅閥片主要采取兩種連接方法：一個是以美、英為主的采取多片金屬氧化鋅并聯使用的方法，使用的標準為UL1449第二版，另一個是以法、德為主德采取單片金屬氧化鋅技術的方法，使用的標準為IEC61643-1-2。金屬氧化鋅閥片并聯使用的優點可以得到較大的通流容量，防止單片金屬氧化鋅閥片擊穿后冒煙和爆炸，但歐洲及國內一些專家認為多片金屬氧化鋅閥片并聯使用，由于漏流、壓敏電壓等性能不一致，造成能量分配不均勻，產生閥片熱崩潰。作者帶這這些問題在美國JOSLYN公司實驗室做了試驗，得出了一些非常有價值的測試數據。分析認為：金屬氧化鋅閥片只要進行一定的篩選、配對、并采取適當的措施是可以并聯使用的。
關鍵詞：雷電防護、氧化鋅閥片、并聯使用、測試研究

一、 前言
大氣中的雷電現象會給人類的生存和社會活動帶來危害，對它的防護問題一直是人們關心的問題。隨著社會經濟和科學技術的發展，微電子設備的廣泛應用，我們不僅耀注意預防對影響建筑物或其他物體的直擊雷災害，而且對雷擊電磁脈沖（LEMP）的防護更給足夠地重視[1] [2] [3]，目前國內外在實施雷電防護過程中對于LEMP的防護，通常是采用電涌保護器（SPD）（SURGE PROTECTIVE DEVICES）限制瞬態過電壓和引導泄放電涌電流來實現[4] [5] [6]，現在一般在SPD中使用的主要器件為：金屬氧化鋅（MOV）閥片、放電間隙、氣體或固體放電管、濾波線圈、瞬變二極管（SIDACTOR）等，而使用在低壓線路（220V～/380V～）中的SPD、絕大多數是使用MOV閥片。在低壓電路中為了達到25～50ns高速響應時間，國際上MOV閥片的直徑一般控制在14～20mm左右，最大通流容量一般在60～70KA，電流波形為8/20μs。美國在UL1449第二版《瞬時電壓浪涌保護器標準》TVSS（TRANSIENT VOLTAGE SURGE SUPPRESION）中建議[7]，采用多片MOV閥片并聯使用，以達到更大的通流容量。由于目前在國內外多片MOV閥片并聯技術的測試試驗和分析研究工作還不多，所以對這一技術在雷電防護中使用也存在不同看法。本文針對上述問題，試圖通過在美國JOSLYN公司實驗室的測試試驗，以及對樣本和數據的分析，對多片MOV閥片并聯技術的使用給出了肯定的答復。
二、 MOV閥片的主要性能
MOV閥片的主要成分為氧化鋅（ZnO），并滲有少量的其它氧化物，外層由兩層鉛和一層塑料涂層組成[8]，在低壓電源系統中，一般采用圓形的直徑為14mm和20mm的MOV閥片。在直流電壓為3KV下，電容量分別為5600PF和22000PF，標稱通流容量分別為4KA和6.5KA，電流波形為8/20μs。MOV閥片兩端電壓低于壓敏電壓時，呈高阻抗狀態。當電壓高于壓敏電壓時，由于閥片內的齊納效應和雪崩效應，迅速呈低阻抗。電壓低于壓敏電壓又回到高阻抗狀態。MOV閥片的好壞主要決定以下一些參數。
1、 壓敏電壓
當溫度為20℃，一般認為在MOV閥片上有1mA電流流過的時候，相應加在該閥片上的電壓叫做壓敏電壓。應按如下公式計算：
Vn≥（VNII×√2 /0.7）1.2
式中：VN――MOV閥片壓敏電壓值
VNH――電源額定電壓值（有效值）
壓敏電壓沖擊前后的變化率應小于±10％
2、 漏電流
MOV閥片在標稱持續工作電壓下流過閥片的電流稱為漏電流。按國家標準應小于30μA。沖擊前后的變化率應小于200％。
3、 殘壓及殘壓比
在規定波形、標稱放電電流沖擊氧化鋅閥片，閥片兩端測到的電壓峰值，稱為殘壓。
殘壓與壓敏電壓的比值，稱為殘壓比。
一般情況下殘壓比應≤3。
三、 MOV閥片的并聯使用
在保證高速響應的前提下，要提高TVSS或SPD的通流容量，一般采取多片并聯使用。歐洲及國內一些專家認為多片MOV閥片并聯使用，由于閥片性能不一致，可能產生雷電能量分配不均勻，造成MOV閥片的溫度升高，性能下降，導致熱崩潰，或提早老化、失效，因此不主張采取多片氧化鋅閥片并聯使用。但目前國際上使用在低壓電源配電系統上的單片MOV閥片的最大通流容量只能達到60-70KA（8/20μs）滿足不了實際工程的需要，所以對于MOV閥片并聯使用的研究具有十分重要的意義。
四、 在美國JOSLYN實驗室測試數據分析
美國JOSLYN公司是雷電浪涌防護的專業公司，從1950年就開始專門研究雷電和瞬間過電壓保護。JOSLYN公司從1979年以來一直生產并行MOV的TVSS、產品遍布世界130多個國家的通信、電力、交通、航空、金融、計算機網絡等。美國總統座機空軍一號就采用了該公司的產品。
作者與美國JOSLYN公司實驗室的Hans Steinhaff博士進行了以下的測試。
（一） 測試儀器
1、 Keytek 587型8/20μs波形標準沖擊試驗儀。
2、 Keytek S1/S3、S4/S5/S6及S7的浪涌網絡單元。
3、 Peason 301x型電子寬帶電流變換器。
4、 7A26雙蹤放大器。
5、 Tekronix7835存儲式示波器。
（二） 樣本的抽取
本次試驗一共抽取三組樣本，A組是隨機從一批產品中抽取50片MOV閥片；B組從一批閥片中選取1mA壓敏電壓最高和最低的MOV閥片各25片；C組是從一批MOV閥片產品中抽出壓敏電壓最高的25片，從另一批產品中抽出壓敏電壓最低的25片樣品。所有的MOV閥片在同一等級通流容量下沖擊兩次，表1顯示了通過每組MOV閥片受沖擊后電流的平均值及占總電流的百分比。表中A1、A2是從A組中選出每兩片MOV閥片配為一對（共25對），并聯后經同一電流沖擊兩次測得得平均數值。B1、B2是從B組中選出壓敏電壓最高和最低得MOV閥片各片配為一對（共25對），并聯后經同一電流沖擊兩次測得平均數值。C1、C2是從C組中選出壓敏電壓最高和最低的MOV閥片各片配為一對（共25對），并聯后經同一電流沖擊兩次測得的平均數值。

表1 每組MOV閥片電流平均值（A）及百分比
沖擊電流（A） A組電流 百分比％ B組電流 百分比％ C組電流 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顯示了MOV閥片沖擊前后，1mA壓敏電壓變化情況，并且給出了沖擊前后正負極1mA壓敏電壓的變化。
表2 沖擊前后正負極壓敏電壓平均值（V）
樣品 沖擊前 沖擊后
正 負 正 負
A1 238 239 240 243
A2 237 238 239 242
B1 225 224 224 224
B2 251 251 251 255
C1 227 227 226 229
C2 254 254 248 257
（三） 數據分析
從表1不難看出，A組同一批發貨樣品中抽出的MOV閥片，即使沒有經過嚴格篩選、配對，不管在小電流還是大電流沖擊情況下，并聯兩片MOV閥片上吸收的能量基本平衡，但在B組同一批產品中，抽出MOV閥片壓敏電壓最高和最低配對。在小電流（125－750A）沖擊下，兩片并聯MOV閥片上吸收的能量是不平衡的，最大誤差在84％和16％。在大電流（3000～10000A）沖擊下，兩片并聯MOV閥片吸收的能量基本平衡，最大誤差在59％和41％。C組為不同批次中抽取的最高和最低壓敏電壓MOV閥片配對，在小電流（125～750A）沖擊下，兩片并聯MOV閥片上吸收能量更不平衡，最大誤差在88%和12％，比B組還要大，但在大電流（3000～10000A）沖擊下，兩片并聯MOV閥片上電流也還基本平衡。

五、 JOSLYN實驗室做的其它輔助測試
（一）、近來JOSLYN公司從一批產品中任意抽取6各使用3片20mmMOV閥片并聯的TVSS，沖擊電流為1500A，波形為8/20μs，經過10000次沖擊試驗（記錄了2500次的測試），其中5各TVSS經過10000次沖擊后，1mA下的壓敏電壓變化率≤±10％，另一個在8500次沖擊測試后，1mA下壓敏電壓變化率＞10％。
（二）、另一個測試將4片MOV閥片并聯，不用刻意去匹配，沖擊電流為10000A，波形8/20μs，一共沖擊220次，然后分別在測試前、中、后4片并聯MOV閥片的1mA壓敏電壓變化率為+7.3～7.5％，每一片MOV閥片的1mA壓敏電壓變化率為+5.3～6.7％。
（三）、另一個制造商生產的TVSS，也使用上述同樣的方法測試，在220次沖擊后，總的1mA壓敏電壓變化率為12.4～20.9％，在10000A沖擊電流下，40~60次沖擊后，1mA壓敏電壓產生了大于10％的變化。

六、 結論
（一）、由于MOV閥片性能不一致，特別是1mA下壓敏電壓不一致，會造成在小電流（125～750A）沖擊下多片MOV閥片并聯時，每個閥片吸收雷電能量不一致。
（二）、在大電流（3000～10000A）沖擊下，即使MOV閥片性能不太一致，多片并聯使用時每片MOV閥片吸收雷電能量基本一致。
（三）、因此，只要對MOV閥片略加挑選配對，且利用保險絲阻抗幫助平衡電流，多片MOV閥片是可以并聯使用的，不會因吸收能量不一致而產生熱崩潰或提早老化。
參考文獻：
⑴ R.H.Golde 《Lightning》1997
⑵ 蘇邦禮等 《雷電避雷工程》1998
⑶ GB 50057-1994 《建筑物防雷設計規范》（2000年版）
⑷ IEC61643-1 1998 《連接至低配電系統電涌保護器》第一部分性能要求和試驗方法
⑸ IEC61643-2/Ed1.0 2000 《連接電信網絡及信號網絡的電涌保護器》第一部分性能要求和試驗方法
⑹ IEEE 《低壓防浪涌裝置性能》
⑺ UL 1449第二版 《瞬時電壓浪涌保護器標準》TVSS
⑻ 彭濟南、葉德平等“氧化鋅線性電阻中性電接地電阻器” 《電瓷避雷器》2001.6。