SPD和后備過電流保護裝置
編輯：2021-12-23 09:53:49
摘要
介紹浪涌保護器及其后備過電流保護裝置的時間質量，重點分析金屬氧化物壓敏電阻型浪涌保護器、熔斷器、斷路器以及專用斷路器的可靠性特征量失效率和系統失效率，并進行比較。指出選擇高可靠性（低失效率）SPD 是提高系統可靠性的根本措施，降額設計是提高 SPD 可靠性的主要方法之一，熔斷器是后備過電流保護裝置中失效率最低的器件。
引言
被保護設備前端安裝浪涌保護器 （SPD），SPD串聯后備過電流保護裝置 （OCPD2），這是低壓配電系統的通用配置。其中 SPD 為主要器件，OCPD2 為輔助器件，二者共同配套組成浪涌保護支路 SPDA（見圖 1）。
主要器件 SPD 的接入提高了被保護設備的環境可靠性，但也降低了被保護設備的固有可靠性，這是因為增加了一個器件就增加了一個故障點；輔助器件OCPD2 串聯接入 SPDA 支路，SPD 正常時，OCPD2為冗余器件；只有在 SPD 短路失效時，OCPD2 斷開工頻短路電流，保障供電正常和安全。 當不安裝 OCPD2 時，SPD 失效，無論是短路失效還是開路失效，SPD 都會失去抑制浪涌的功能，其中 SPD 開路失效，不影響供電系統，SPD 短路失效時使工頻電流短路到地，啟動 OCPD1 動作中斷供電。 當安裝 OCPD2 時，在 SPD 短路失效，OCPD2 也失效 （斷不開工頻電路） 時，同樣會啟動 OCPD1 動作中斷供電。OCPD2 的接入又增加了一個故障點，進一步降低了被保護設備的固有可靠性。雖然 SPD、OCPD2 的失效率很低，但仍然存在發生失效的概率。 目前，國內外規范中低壓系統使用熔斷器或斷路器作為 SPD 的后備過電流保護裝置 （OCPD2），近年來國內眾多廠商推出多種 SPD 專用斷路器 （SCB、iSCB 等）， IEC SC37A / B AHG9 工作組專家研究SSD （SPD specific disconnector），認為“目前的保護方案可能存在盲區”。因該課題與 IEC TC23E 家用斷路器和類似設備委員會、IEC TC32 熔斷器委員會任務范圍交叉，怎樣進行課題研究還在探討中，目前SCB 尚無國際標準支撐。 產品的更新換代是行業發展規律，人們通常關注產品的性能質量，往往忽略產品的時間質量，即可靠性。任何新產品的推出應給用戶提供產品的性能質量、時間質量和經濟指標。目前推出的 SCB 等產品只給出了性能參數，沒有任何一家提供可靠性指標。 本文僅對熔斷器、斷路器和 SCB 的可靠性進行簡單分析，供工程人員參考。 01、SPD 與后備過電流保護裝置的工作原理 SPD、過電流保護裝置與被保護設備的連接關系如圖 1 所示。 圖 1 中有兩個過電流保護裝置，OCPD1 是被保護設備供電回路的過電流保護裝置，實現短路過載保護；OCPD2 是浪涌保護器支路 （SPDA） 的后備過電流保護裝置，用于當 SPD 短路時分斷支路短路電流。SPD 與 OCPD2 的工作狀態可以分成以下幾種情況。 1. 1 SPD 可靠 無浪涌時，SPD + OCPD2 支路呈高阻狀態，供電回路正常供電；浪涌到達時，SPD 呈低阻狀態，SPD + OCPD2 支路導通，限制了浪涌過電壓，分流泄放浪涌電流。在這個過程中 OCPD2 只是浪涌電流的通道，在浪涌保護狀態下 OCPD2 應承受通過 SPD的預期浪涌的沖擊。SPD + OCPD2 支路保護了設備免受浪涌沖擊，浪涌過后 SPD 恢復為高阻狀態。 浪涌到達時，若 OCPD2 不能承受預期浪涌沖擊發生開路失效，則 SPD + OCPD2 支路呈開路狀態失去浪涌保護功能，但供電回路仍能正常供電。 1. 2 SPD 短路失效，OCPD2 斷開 OCPD2 應分斷預期工頻短路電流 ，使SPD+ OCPD2 支路呈開路狀態，保障正常供電，但分斷后系統失去對后續的浪涌防護功能。 1. 3 SPD 短路失效，OCPD2 也失效 （未斷開） SPD + OCPD2 支路將電源短路，迫使 OCPD1 切斷供電線路。這既失去浪涌保護功能，又無法正常供電。 需要特別說明的是：① 金屬氧化物壓敏電阻（MOV）型、氣體放電管 （GDT） 型 SPD 的主要失效模式為短路失效模式；② OCPD2 斷開雖然能保證正常供電，但下一次浪涌到來時，SPD+OCPD2 支路不再對被保護設備提供浪涌保護；③ OCPD1、OCPD2 （fuse、MCB、SCB） 對工頻電流通常都是單次性 （準單次性） 的工作模式，但要承受通過 SPD預期浪涌電流的多次沖擊。 按照上面工作狀態的分析可知，從浪涌保護功能方面看，只要 SPD 短路失效，無論 OCPD2 是否失效，SPD 與 OCPD2 的串聯支路都失效；從對供電的后備保護方面看，當 SPD 和 OCPD2 都失效，SPDA串聯系統才失效。 02、SPD、后備過電流保護裝置 （OCPD2）及其組成系統的失效率（略） SPD、OCPD2 都是不可維修產品，其可靠性的特征量失效率 λ（t）是重要指標。失效率越低，產品的可靠性越高。 下文稱 SPD 的失效率為 λ1，稱 OCPD2 的失效率為 λ2，OCPD2 包括熔斷器、斷路器、專用斷路器（SCB）。 2. 1 MOV 型 SPD 失效率 2. 2 熔斷器的失效率 2. 3 斷路器的失效率 2. 4 SPD 專用斷路器 （SCB） 的失效率 2. 5 OCPD2 各元器件失效率的比較 2. 6 SPD + OCPD2 完成浪涌保護功能時的可靠性分析 2. 7 SPD + OCPD2 完成保障供電正常功能時的可靠性分析 2. 8 SPDA 支路系統失效率 λS 2. 9 小結 SPD 是浪涌防護的主要器件，只要 SPD 可靠，系統才可靠；SPD 失效了，系統就失去主要的浪涌防護功能，OCPD2 可靠時能斷開工頻電流，但不能提供浪涌防護能力。所以選擇高可靠性的 SPD 才是保持系統可靠性的根本方法。 SPD 專用斷路器 （SCB） 的失效率大于 SPD 的失效率，因此 SPD 專用斷路器 （SCB） 先于 SPD 損壞是大概率事件。 03、提高 SPD 可靠性的主要方法 提高 SPD 可靠性的主要方法包括： a. 生產廠商改進 MOV 芯片設計，采用新材料和改進工藝，生產出低失效率的產品，提高固有的可靠性。 b. 提供良好環境如合適的溫度、濕度、氣壓，保持環境可靠性。 c. 對 SPD 進行篩選、老化，縮短早期的失效期。 d. 視情況或定期更換劣化的 SPD。 e. 選用能夠進行壽命預警的智能型SPD 及監控系統。 f. 降額設計是提高 SPD 可靠性的主要方法。 低壓系統通常選用 MOV 型 SPD，MOV的伏安特性如圖 2 所示。 降額設計就是降低 SPD 承受的電應力 （浪涌），合理的降額可大幅度地降低SPD 的失效率。 04、結論 SPD 后備過電流保護裝置的確能提高供電系統的可靠性，但代價是降低了 SPD 對浪涌的防護可靠性并增加了費用。系統可靠性的基礎是元件的可靠性，選擇低失效率的 SPD 和低失效率的 OCPD2 就能提高系統的可靠性，尤其是選擇低失效率的 SPD。 對 SPD 應用降額設計是可靠性設計的準則之一，對系統來說還應簡化設計，在能完成基本功能的條件下，應選用最少的單元組成系統，以提高系統的可靠性。 過電流保護裝置的選擇中，熔斷器的組成最簡單，主體是金屬絲，其失效率遠低于其他過電流保護裝置，價格又低，所以熔斷器應為 OCPD2 首選器件。 技術進步一定會推出新產品，對新產品除關注其性能質量指標外，還應注意其時間質量指標，科技的進步應使其產品性能優、可靠性高并價格合理。 SPD 是低壓系統中浪涌防護的主要器件，MOV型 SPD 是損耗器件，當到損耗期時，失效率 λ（t） 隨時間增大。 采用智能型 SPD 及監控系統能實時監測到 SPD的劣化 （λ（t） 增大），當劣化超過設計允許值時報警，可以及時更新劣化的 SPD，以保持 SPD 的失效率工作在有效壽命期，使被保護系統的可靠性得以維持在設計水平。
