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雷電防護(hù)中金屬氧化鋅閥片使用研究<BR> 蔡振新 陳善敏<BR> CaiZhenxin ChenShanmin<BR> (1．上海市防雷中心 上海200030 2．中國(guó)華云技術(shù)開(kāi)發(fā)公司 北京100081)</P><P> <BR> 摘要：在雷電防護(hù)過(guò)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(hù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微電子設(shè)備的保護(hù)。國(guó)際上電涌保護(hù)器采用的金屬氧化鋅閥片主要采取兩種連接方法：一個(gè)是以美、英為主的采取多片金屬氧化鋅并聯(lián)使用的方法，使用的標(biāo)準(zhǔn)為UL1449第二版，另一個(gè)是以法、德為主德采取單片金屬氧化鋅技術(shù)的方法，使用的標(biāo)準(zhǔn)為IEC61643-1-2。金屬氧化鋅閥片并聯(lián)使用的優(yōu)點(diǎn)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(guó)內(nèi)一些專家認(rèn)為多片金屬氧化鋅閥片并聯(lián)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(chǎn)生閥片熱崩潰。作者帶這這些問(wèn)題在美國(guó)JOSLYN公司實(shí)驗(yàn)室做了試驗(yàn)，得出了一些非常有價(jià)值的測(cè)試數(shù)據(jù)。分析認(rèn)為：金屬氧化鋅閥片只要進(jìn)行一定的篩選、配對(duì)、并采取適當(dāng)?shù)拇胧┦强梢圆⒙?lián)使用的。<BR> 關(guān)鍵詞：雷電防護(hù)、氧化鋅閥片、并聯(lián)使用、測(cè)試研究</P><P> <BR> 一、 前言<BR> 大氣中的雷電現(xiàn)象會(huì)給人類的生存和社會(huì)活動(dòng)帶來(lái)危害，對(duì)它的防護(hù)問(wèn)題一直是人們關(guān)心的問(wèn)題。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，我們不僅耀注意預(yù)防對(duì)影響建筑物或其他物體的直擊雷災(zāi)害，而且對(duì)雷擊電磁脈沖（LEMP）的防護(hù)更給足夠地重視[1] [2] [3]，目前國(guó)內(nèi)外在實(shí)施雷電防護(hù)過(guò)程中對(duì)于LEMP的防護(hù)，通常是采用電涌保護(hù)器（SPD）（SURGE PROTECTIVE DEVICES）限制瞬態(tài)過(guò)電壓和引導(dǎo)泄放電涌電流來(lái)實(shí)現(xiàn)[4] [5] [6]，現(xiàn)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(shù)是使用MOV閥片。在低壓電路中為了達(dá)到25～50ns高速響應(yīng)時(shí)間，國(guó)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(guó)在UL1449第二版《瞬時(shí)電壓浪涌保護(hù)器標(biāo)準(zhǔn)》TVSS（TRANSIENT VOLTAGE SURGE SUPPRESION）中建議[7]，采用多片MOV閥片并聯(lián)使用，以達(dá)到更大的通流容量。由于目前在國(guó)內(nèi)外多片MOV閥片并聯(lián)技術(shù)的測(cè)試試驗(yàn)和分析研究工作還不多，所以對(duì)這一技術(shù)在雷電防護(hù)中使用也存在不同看法。本文針對(duì)上述問(wèn)題，試圖通過(guò)在美國(guó)JOSLYN公司實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試試驗(yàn)，以及對(duì)樣本和數(shù)據(jù)的分析，對(duì)多片MOV閥片并聯(lián)技術(shù)的使用給出了肯定的答復(fù)。<BR> 二、 MOV閥片的主要性能<BR> 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(tǒng)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(biāo)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(shí)，呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)電壓高于壓敏電壓時(shí)，由于閥片內(nèi)的齊納效應(yīng)和雪崩效應(yīng)，迅速呈低阻抗。電壓低于壓敏電壓又回到高阻抗?fàn)顟B(tài)。MOV閥片的好壞主要決定以下一些參數(shù)。<BR> 1、 壓敏電壓<BR> 當(dāng)溫度為20℃，一般認(rèn)為在MOV閥片上有1mA電流流過(guò)的時(shí)候，相應(yīng)加在該閥片上的電壓叫做壓敏電壓。應(yīng)按如下公式計(jì)算：<BR> Vn≥（VNII×√2 /0.7）1.2<BR> 式中：VN――MOV閥片壓敏電壓值<BR> VNH――電源額定電壓值（有效值）<BR> 壓敏電壓沖擊前后的變化率應(yīng)小于±10％<BR> 2、 漏電流<BR> MOV閥片在標(biāo)稱持續(xù)工作電壓下流過(guò)閥片的電流稱為漏電流。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)小于30μA。沖擊前后的變化率應(yīng)小于200％。<BR> 3、 殘壓及殘壓比<BR> 在規(guī)定波形、標(biāo)稱放電電流沖擊氧化鋅閥片，閥片兩端測(cè)到的電壓峰值，稱為殘壓。<BR> 殘壓與壓敏電壓的比值，稱為殘壓比。<BR> 一般情況下殘壓比應(yīng)≤3。<BR> 三、 MOV閥片的并聯(lián)使用<BR> 在保證高速響應(yīng)的前提下，要提高TVSS或SPD的通流容量，一般采取多片并聯(lián)使用。歐洲及國(guó)內(nèi)一些專家認(rèn)為多片MOV閥片并聯(lián)使用，由于閥片性能不一致，可能產(chǎn)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(dǎo)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(lián)使用。但目前國(guó)際上使用在低壓電源配電系統(tǒng)上的單片MOV閥片的最大通流容量只能達(dá)到60-70KA（8/20μs）滿足不了實(shí)際工程的需要，所以對(duì)于MOV閥片并聯(lián)使用的研究具有十分重要的意義。<BR> 四、 在美國(guó)JOSLYN實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)分析<BR> 美國(guó)JOSLYN公司是雷電浪涌防護(hù)的專業(yè)公司，從1950年就開(kāi)始專門研究雷電和瞬間過(guò)電壓保護(hù)。JOSLYN公司從1979年以來(lái)一直生產(chǎn)并行MOV的TVSS、產(chǎn)品遍布世界130多個(gè)國(guó)家的通信、電力、交通、航空、金融、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。美國(guó)總統(tǒng)座機(jī)空軍一號(hào)就采用了該公司的產(chǎn)品。<BR> 作者與美國(guó)JOSLYN公司實(shí)驗(yàn)室的Hans Steinhaff博士進(jìn)行了以下的測(cè)試。<BR> （一） 測(cè)試儀器<BR> 1、 Keytek 587型8/20μs波形標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗(yàn)儀。<BR> 2、 Keytek S1/S3、S4/S5/S6及S7的浪涌網(wǎng)絡(luò)單元。<BR> 3、 Peason 301x型電子寬帶電流變換器。<BR> 4、 7A26雙蹤放大器。<BR> 5、 Tekronix7835存儲(chǔ)式示波器。<BR> （二） 樣本的抽取<BR> 本次試驗(yàn)一共抽取三組樣本，A組是隨機(jī)從一批產(chǎn)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(chǎn)品中抽出壓敏電壓最高的25片，從另一批產(chǎn)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(jí)通流容量下沖擊兩次，表1顯示了通過(guò)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?jī)善琈OV閥片配為一對(duì)（共25對(duì)），并聯(lián)后經(jīng)同一電流沖擊兩次測(cè)得得平均數(shù)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(duì)（共25對(duì)），并聯(lián)后經(jīng)同一電流沖擊兩次測(cè)得平均數(shù)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(duì)（共25對(duì)），并聯(lián)后經(jīng)同一電流沖擊兩次測(cè)得的平均數(shù)值。</P><P> <BR> 表1 每組MOV閥片電流平均值（A）及百分比<BR> 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％<BR> A1 A2 A1 A2 B1 B2 B1 B2 C1 C2 C1 C2<BR> 125 71 66 52 48 114 22 84 16 120 16 88 12<BR> 500 250 245 51 49 370 130 74 26 390 100 80 20<BR> 750 380 375 50 50 530 225 70 30 560 180 76 24<BR> 3000 1500 1490 50 50 1750 1200 59 41 1800 1200 60 40<BR> 10000 4750 4750 50 50 5250 4200 56 44 5400 4000 57 43<BR> 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(fù)極1mA壓敏電壓的變化。<BR> 表2 沖擊前后正負(fù)極壓敏電壓平均值（V）<BR> 樣品 沖擊前 沖擊后<BR> 正 負(fù) 正 負(fù)<BR> A1 238 239 240 243<BR> A2 237 238 239 242<BR> B1 225 224 224 224<BR> B2 251 251 251 255<BR> C1 227 227 226 229<BR> C2 254 254 248 257<BR> （三） 數(shù)據(jù)分析<BR> 從表1不難看出，A組同一批發(fā)貨樣品中抽出的MOV閥片，即使沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選、配對(duì)，不管在小電流還是大電流沖擊情況下，并聯(lián)兩片MOV閥片上吸收的能量基本平衡，但在B組同一批產(chǎn)品中，抽出MOV閥片壓敏電壓最高和最低配對(duì)。在小電流（125－750A）沖擊下，兩片并聯(lián)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(lián)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(duì)，在小電流（125～750A）沖擊下，兩片并聯(lián)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(lián)MOV閥片上電流也還基本平衡。</P><P> 五、 JOSLYN實(shí)驗(yàn)室做的其它輔助測(cè)試<BR> （一）、近來(lái)JOSLYN公司從一批產(chǎn)品中任意抽取6各使用3片20mmMOV閥片并聯(lián)的TVSS，沖擊電流為1500A，波形為8/20μs，經(jīng)過(guò)10000次沖擊試驗(yàn)（記錄了2500次的測(cè)試），其中5各TVSS經(jīng)過(guò)10000次沖擊后，1mA下的壓敏電壓變化率≤±10％，另一個(gè)在8500次沖擊測(cè)試后，1mA下壓敏電壓變化率＞10％。<BR> （二）、另一個(gè)測(cè)試將4片MOV閥片并聯(lián)，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(cè)試前、中、后4片并聯(lián)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％。<BR> （三）、另一個(gè)制造商生產(chǎn)的TVSS，也使用上述同樣的方法測(cè)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(chǎn)生了大于10％的變化。</P><P> 六、 結(jié)論 <BR> （一）、由于MOV閥片性能不一致，特別是1mA下壓敏電壓不一致，會(huì)造成在小電流（125～750A）沖擊下多片MOV閥片并聯(lián)時(shí)，每個(gè)閥片吸收雷電能量不一致。<BR> （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(lián)使用時(shí)每片MOV閥片吸收雷電能量基本一致。<BR> （三）、因此，只要對(duì)MOV閥片略加挑選配對(duì)，且利用保險(xiǎn)絲阻抗幫助平衡電流，多片MOV閥片是可以并聯(lián)使用的，不會(huì)因吸收能量不一致而產(chǎn)生熱崩潰或提早老化。<BR> 參考文獻(xiàn)：<BR> ⑴ R.H.Golde 《Lightning》1997<BR> ⑵ 蘇邦禮等 《雷電避雷工程》1998<BR> ⑶ GB 50057-1994 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（2000年版）<BR> ⑷ IEC61643-1 1998 《連接至低配電系統(tǒng)電涌保護(hù)器》第一部分性能要求和試驗(yàn)方法<BR> ⑸ IEC61643-2/Ed1.0 2000 《連接電信網(wǎng)絡(luò)及信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的電涌保護(hù)器》第一部分性能要求和試驗(yàn)方法<BR> ⑹ IEEE 《低壓防浪涌裝置性能》<BR> ⑺ UL 1449第二版 《瞬時(shí)電壓浪涌保護(hù)器標(biāo)準(zhǔn)》TVSS<BR> ⑻ 彭濟(jì)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。<BR> <BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200621321502513457.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200621321502513457.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A>
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狀 態(tài)：
離線
公司簡(jiǎn)介
產(chǎn)品目錄
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公司名稱：
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上海潘登新電源有限公司
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| 聯(lián) 系 人： |
陳蓓
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| 電 話： |
021-62766276
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| 傳 真： |
021-62766276 |
| 地 址： |
長(zhǎng)壽路285號(hào)恒達(dá)廣場(chǎng)23樓 |
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