2023年漫谈电源SPD的制式邱传睿.doc

漫谈电源SPD的制式 邱传睿 成都兴业雷安电子 ：国际上电源SPD有很多制式，本文对各种制式作简单的介绍，并提请大家注意，智能化电源中的控制和调整电路的耐雷电能力较弱，用配电系统的防护方式对含电子器件的电源设备进行防护是否有效值得商榷。 关键词：电源　SPD　智能化电源　欧洲模数　矩阵式电路 由于电源雷害对电气电子设备造成的损失比例占整个雷害的比例大、影响范围宽。用于电源的SPD在整个防雷设备中的重要性举足轻重。我国目前流行的电源防雷设备按尺寸和安装方式分，有以德国为代表的欧洲模数导轨安装式、以美国为代表的盒装壁挂式。按电路拓扑分，有以德国为代表的单压敏电阻式和美国为代表的压敏电阻矩阵式。按电路结构分有以德国为代表的限压型和以日本为代表的限压开关混合型，现在分别作一介绍，希望大家批评指正。 1 欧洲电器模数和德国电源SPD的标准化 上世纪90年代，德国电源SPD进入中国市场，由于该模块的尺寸采用了欧洲电器模数的标准生产，和空气开关一样可以在35mm的DIN导轨上安装后，嵌入用户配电开关箱。由于安装维修方便简单，所占用体积小、整齐划一美观，因此受到普遍欢送。所谓模数是为了产品标准化，在工程中选定的尺寸单位。目前欧洲大陆电源SPD采用的是欧洲模数〔Modulus Europe〕〕。各行各业都有自己的模数，并且分工十分细致，有建筑模数，物流模数，齿轮模数等。电器行业不同类型的产品有不同的模数，模数又分根本模数和导出模数，导出模数分为扩大模数和分模数，扩大模数是根本模数的整倍数，而分模数是根本模数的分数，如配电系统产品的根本模数是为8.75mm〔有的地方为计量方便将空气开关的模数定为9mm〕，由于最早电源SPD是配电设备的一局部，因此用了空气开关的模数，宽度为扩大模数即8.75mm的整倍数，在配电盘上窗口外露局部为45mm，当将SPD和空气开关安装在同一用户配电盒内既划一美观，同时由于并联SPD与空开间的的接线最短，自然防雷效果也最好。目前In小于20kA的电源SPD都用的是上述尺寸。由于采用欧洲模数，也为自动化生产创造了条件，实际上，在局部德国工厂，电源SPD和空气开关一样实现了生产自动化。生产自动化带来的直接好处就是产品的一致性较佳。 2　采用单片压敏电阻的欧洲模数导轨安装式电源SPD的优缺点 德国及欧洲大陆国家的电源SPD都是按照IEC　61643-11标准，也即我国GB18802.1标准设计和检测的。 欧洲模数导轨安装式电源SPD有以下优缺点： 2.1优点 a由于采用欧洲低压电器模数作为控制尺寸，因此，在配电设备上安装和维修都十分方便，在更换模块时可以实现不停电作业； b采用插拔式模块结构，维修和更换非常方便。 c便于实现自动化生产。 2.2 缺点 a 由于采用单片压敏电阻为根本防护器件，而压敏电阻最大的一个问题是漏流和劣化。为此在欧洲模数导轨安装式电源SPD中设计了过流和过热脱扣装置，这一机械脱扣装置对于电网电压稳定地区，比方欧洲和我国城市，它能有效安全的工作，但我国还有许多农村地区或行业的电网质量不好，机械脱扣装置的安全可靠性就打了折扣，因此在我国仍然时有自燃自爆现象发生。 b　由于最初是为用户配电设备设计，受欧洲低压电器模数的限制，因此通流容量不能做的较大。 表1是压敏电阻的电流额定值表，可以看出压敏电阻素片标称放电电流与名义等效直径的关系。45mm的窗口最大只能安装40mm的片子，也就是说最大的模块只能做到In=20kA(8/20波形) 表1 电流额定值〔来自联合企业标准：低压系统中电涌保护器SPD用压敏电阻器MOV技术标准〕 名义等效直径〔mm〕 14 20 25 32 40 50 标准级〔S〕 标称放电电流In〔kA〕 最大放电电流Imax〔kA〕 宽波冲击电流ILP〔A〕 2.5 5 27 4 8 45 6 12 72 10 20 112 20 40 180 25 60 270 高电流级〔H〕 标称放电电流In〔kA〕 最大放电电流Imax〔kA〕 宽波冲击电流ILP〔A〕 3 6 34 5 10 57 8 16 90 12.5 25 140 20 50 225 30 70 335 特高电流级〔U〕 标称放电电流In〔kA〕 最大放电电流Imax〔kA〕 宽波冲击电流ILP〔A〕 4 8 45 6.5 13 75 10 20 115 16 32 180 26 65 290 等级电流 Icl〔A〕 50 100 150 200 300 450 25℃下直流漏电流ILd ≤〔µA〕 15 20 25 35 40 40 85℃下直流漏电流ILd ≤〔µA〕 30 30 40 40 40 60 3 美国压敏电阻矩阵式冗余配置的盒装壁挂式电源SPD的优缺点 美国电源SPD的设计根据是IEEE C62.42标准设计，并按照UL1449进行安全检测〔UL1449 第3版。2009年9月29日将会生效〕。美国标准与IEC的标准有一些差异，所以在设计SPD的理念不同，英国和美国的防雷标准相似，在设计电源SPD时大局部采盒装壁挂式〔由于欧洲模数导轨安装式被广泛接受，英美也生产局部模数导轨安装式〕。 3.1　矩阵式冗余配置盒装壁挂式电源SPD的优点： a　品质好的MOV的同一批次的差异很小，可以并联使用，由于采用多片MOV矩阵冗余配置，可以并联出通流容量很大SPD。 b　采用根本器件冗余设置，即使有少数器件损坏，其余仍可继续工作，因此保护可靠。 c　由于是多片基片并联并冗余设置，每一基片都未工作在基片的大电流区而工作在V-A特性的最正确位置，大家知道，MOV的残压与施加的电流有关，假设通过MOV的电流小，那么残压低，。 图1　是压敏电阻的伏安特性图，MOV应当工作在非线性系数α大于33的区域，图中α等于38的一段防护效果最正确，V1ma=380V，V1A=480V，V1kA=600V。 　 图1　压敏电阻的伏安特性图 d　盒装壁挂式电源SPD的过流和过热脱离采用电气装置脱扣方式，不会产生自燃自爆现象。 3.2 矩阵式冗余配置盒装壁挂式电源SPD的缺点： a 由于是盒装壁挂式，对于用户配电系统，必须安装在配电柜外，因此安装不便，维修不便。故不太适用与用户配电柜〔盒〕。 b 由于矩阵式冗余配置盒装壁挂式电源SPD使用的器件多，盒子体积大比欧洲模数导轨安装式电源SPD本钱高很多，同时装配复杂，不能全自动生产，使本钱不可下降，限制了在开展中国家的推广。　 4 日本、英国限压开关混合型电源SPD的特点 日本和英国的电源SPD普遍采用GDT+MOV即限压型器件和开关型器件串联的混合方式。图2就是日本山光社的根本电路，英国FURSE公司的电源SPD也是采用的GDT和MOV串联的方式。大家知道，MOV的一个致命，科学家一直想解决的问题就是漏流和劣化。为了解决由于MOV劣化造成对电源系统的伤害，纯MOV电源SPD在电路中设有过热和劣化脱离装置。MOV是日本创造的，深知MOV漏流和劣化对电源系统的副作用，而单独使用GDT用于电源防雷，在雷电过后GDT会有续流会造成GDT自身的损坏或伤害电源系统。因此日本在设计电源SPD时采用GDT和MOV图　2　GDT与MOV串联的电源防雷器 串联的方式，在SPD并联到电源电路时，由于GDT的电阻为109Ω，MOV的电阻为107Ω，电压几乎都分配在GDT上，MOV的电压极小，所以平时MOV不存在漏流。但在雷电侵入电源线路且SPD工作时，由于MOV是限压型元件，MOV的电压大于电源工作电压，分配到MOV上的电压就所剩不多了，同时MOV的电阻大于GDT，这时GDT上的电压极小不会使GDT继续工作，GDT不会产生续流。IEC 61643-12(GB 18802.12)的图1列出了四种一端口SPD，其中a的第2图便是这种电路结构。 因此，限压开关混合型电源SPD的优点是没有续流和漏流，用在电源线上后不会发生自燃和自爆。另外一个优点是残压低。例如，英国FURSE的ESP415M4型，Imax为60kA，在用8/20μs，5kA电流冲击时，限制电压为560V，而纯MOV同类产品为1500V。日本山光社和昭电气的SP-100型，In=20kA，在用8/20μs，2kA电流冲击时，限制电压小于500V。德国PHOENIX开发的VAL-MS 220 VF ST，技术参数如下：Uc=260V；In=10kA；Imax=20kA；Up≤1kV；限制电压〔8/20，5kA〕≤ 550V；响应时间：≤100ns。 5　关于智能化电源设备的防护 2023年，IEC 62305系列标准生效，该标准原本是针对建筑物雷电防护的，对电信、铁路、工业控制等系统是否适宜，有人提出异议。其实，该系列标准的编制者也注意到各国的反响，因此，现在正在进行第2版的编制工作，本人已经阅读了第2版的修订稿，其中62305-3和62305-4的变化最大。而我们关心的正是62305-4建筑物内的电气电子设备的防雷。2006年5月23日。在大阪召开ITU SG5 技术分会会议上，意大利电信的Roberto Pomponi发表了抗雷能力与IEC 62305防雷标准的对抗以及与多导体连接的端口〔Resistibility vs. IEC 62305“lightning protection〞standard and for ports connected to multiple conductors〕。他提出现在电信设备用的都是智能化电源，其额定冲击电压耐受水平Uw极低，而IEC 62305标准仅考虑了火线与地线间的耐压能力，所以最后一级的SPD必须有很低的Up。Roberto Pomponi建议SG5应当对IEC TC 77 建议：对任何类型设备的电源端口，抗扰性的要求和测试程序应当按照K.20和K.21要求并考虑IEC 60664-1的要求。这个建议是合理的，也就是说最后一级SPD的Up＝1500V已经不能保护智能化电源设备。其实电信和铁路都有实实在在的教训，不过由于雷击是小概率时间，出了问题后缺乏认真的分析，所以该问题并未引起大家注意。 澳大利亚和新西兰标准NZS/AS 1768-2023雷电防护的5.6.3.3“防护设备的应用〞一节有如下描述：“一般规定，交流电源防护的MOV可以用于有效值为275V的电源线上，然而，在浪涌电流大时，其残压仍可超过SPD规定的残压值1200V。并且电源设备在SPD起作用后还会遭受上升速率为每微秒数千伏的电压冲击。图5.8增加了一个滤波器，目的是将上升速率高的电压陡度降下来〞。 由于雷电频谱一般在18kHz左右，因此可以利用低通滤波器使50Hz的工频顺利通过，而阻断高频雷电脉冲波的通路，使电压变低。 A N E A N E Filter 注：这不是射频滤波器 图 3　 NZS/AS 1768-2023的图5.8　低通滤波器用来减少SPD动作后的电压上升速率〔Low-pass filter acts to reduce rate of rise of Voltage after claming〕 同样在NZS/AS 1768-2023雷电防护的附录D里，图D3描述了计算机设备的耐压水平，大家可以参考使用。一句话，智能化电源需要特殊的防护。本人见过一些美国、英国、法国、瑞士、日本的用于计算机电源的防雷设备，其限制电压都比拟低，我想这也是ITU的专家对IEC标准关于电信设备电源提出异议的原因吧。 参考资料： 1、NZS/AS 1768-2023　Lightning protection 2、ITU SG5 技术分会会