浅谈设计指示告警型压敏电阻时应注意的一些问题

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浅谈设计指示告警型压敏电阻时应注意的一些问题
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[摘要]本文就指示告警型压敏电阻的原理结构作了介绍，并对一些在设计中就应注意的问题进行了讨论。
1、引言
近年来，指示告警型压敏电阻在低压供电系统中得到越来越多的应用。在普通氧化锌压
敏电阻的基础上，增加热脱离和过流断路功能，就形成了指示告警型压敏电阻，它在劣化或失效后可以自动断开同低压系统的连接，防止持续短路故障出现，同时指示窗改变颜色，并输出告警信号。这样压敏电阻的工作状态就一目了然，并使远程监控成为可能，因此很受人们青睐。
国内一些低压电气设备制造厂家已经开始淘汰没有劣化和失效自保护的普通氧化锌压
敏电阻，改为选用指示告警型压敏电阻，其市场容量是很大的。以通信行业为例，现在几乎所有的通信电源厂家都采用了指示告警压敏电阻，若按每套通信电源配置一套三项指示告警型压敏电阻估算，每年用量就在五万套以上。但这一巨大市场目前却被国外少数几个厂家垄断，实在是大家极不愿意面对的现实。况且这些国外产品并不完美，都存在或多或少的质量问题。因此，笔者十分乐意就一些技术问题与大家交流，抛砖引玉，早日实现国产品牌的突破。
2、指示告警型压敏电阻简介
大家知道，氧化锌压敏电阻的正常失效模式为短路，若没有可靠的短路故障保护措施，
在运行中就很容易发生起火、爆炸等不安全事故。而如何设计出可靠的压敏电阻短路保护功能，无论是对压敏电阻的生产厂家还是使用方，似乎都有困难。因此，在国外出现了不少设计和生产指示告警型压敏电阻的专业厂家，如德国的DEHN、PHOENIX、OBO、法国SOULE、澳大利亚ERICO等公司，他们自己都不制造氧化锌压敏电阻阀片，但却都是具备国际水准的指示告警型压敏电阻供应商。这些公司主要研究的是氧化锌压敏电阻的应用，其中劣化或失效后的热容和过流保护问题就是一个很重要的方面，可靠的热容保护可以阻止火灾发生，而过流保护机构在大电流作用下及时分断，可以防止爆炸。
图1给出了这类产品的原理结构。VR为氧化锌压敏电阻，起电涌保护功能。F1为热脱离机构，也称热感断路器，通常为一低温合金焊点。当VR表面温度超过合金焊点的熔点时，合金焊点熔化，实现过热断路。F2为过流保护机构，又称动态断路器，为一金属片，其原理同保险丝相似，主要位F1提供后备保护。由于热传递具有较大的滞后时间，在瞬间大电流冲击下若没有F2的保护，很可能出现VR爆炸先于F1熔化的现象，因此F2时必不可少的。在指示告警压敏电阻内，都设计有短路弹簧机构，当F1熔化或F2熔断时，弹簧机构就带动指示窗改变颜色，并通过微动开关输出告警信号，从而实现压敏电阻的劣化或失效自指示、自告警。

3、对指示告警型压敏电阻的电气性能要求
3．1 8/20µS通流容量
依据IEC61312—1提供的防雷区（LPZ）划分原则及对安装在各区界面上的电涌保护器
的测试规定，氧化锌压敏电阻不宜用作直击雷防护，—应安装在LPZI区或更后，对应的冲击电流测波形为8/20µS。在IEC61643—1中，有规定8/20µS测试的优选值序列为：0.05、0.1、0.25、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、5.0、10、15和20KA。因此，在设计指示告警型压敏电阻时应注意达到20KA以上的8/20µS通流指标。
3．2最小压敏电压
我国低压供电系统质量差是人所周知的，在部分偏远农村，电压偏差可达±30%甚至更高。因此，根据运行经验将压敏电压定为560V或更高是很必要的，切勿定为430V。
3．32ms方波耐量是用来衡量氧化锌压敏电阻抑制操作过电压的本领，宜在400A以上。这一数值同中压系统避雷器的50A相差较大，主要原因是在低压供电系统中操作过电压倍数要比中压系统高得多。此外，较高的方波耐受水平也有利于提高压敏电阻耐受暂时过电压的能力。根据笔者对国内部分压敏电阻产品的摸底情况，400A基本都能道道，国外先进产品一般都在700A左右。
3．4残压问题
氧化锌压敏电阻的残压比越低，既非线性系数越大，则保护效果越好。于是由厂家努力宣传其产品的低残压，但这对指示告警型压敏电阻的用户来说不会有太大的吸引力。因为在低压供电系统中一般采用的都是并联保护方式，这样对被保护设备来说，瞬态电流在压敏电阻的引线和接地线上产生的电压降的影响要比残压更大。此外，在同样的瞬态电压源的作用下，残压比越低的压敏电阻的流经电流也就越大，这实际上相当于降低了氧化锌压敏电阻耐受暂时过电压的能力。再者，在低压供电系统的电涌保护设计时，往往会采用多及并联方式，指示告警型压敏电阻一般不会被放到最后一级，对其基本要求是泄流。因此，在设计指示告警型压敏电阻时，不能一味追求低的残压笔。
3．5与气体放电管配合使用时应注意的问题
在低压供电系统中应用指示告警型压敏电阻时有两种接法：一种是分别接在相线与地、中性线与地之间：另一种是只接在相线与中线之间，而在中性线与地之间是接一只气体放电管。当采用后一种接法时，应注意保证气体放电管的8/20µS通流指标。即单相时应为压敏电阻的2倍，二相时应为压敏电阻的4倍。
4、设计指示告警机构时的注意事项
设计指示告警型压敏电阻的基本目的是避免压敏电阻劣化或失效后出现起火、爆炸等事故，因此，指示告警机构本身的安全性和可靠性就显得更加至关重要，否则会酿成比压敏电阻起火或爆炸等更大的事故。但很多厂家并未完全解决这一问题，以下是笔者发现的部分国外产品在指示告警方面存在的一些缺陷，希望引起大家注意：
（1）F1、F2及VR均完好时，指示窗颜色却显示失效。经分析，是指示机构的抗震性不好，部分零件在运输中被震松甚至抖落：
（2）部分产品无F2功能：
（3）部分产品的告警机构被卡死，在VR失效后也不输出告警信号：
（4）部分产品电极间绝缘强度不够，在较大冲击电流作用下，首先炸裂：
（5）部分产品的内部引线采用多股细裸铜线，在较大冲击电流作用下，这些引线首先被炸飞。