试析限压型SPD起火原因
摘 要 以大量的模拟试验为依据，从MOV基片入手，分析了SPD在使用过程产生起火的原因。
关键词 SPD 短路 起火 脱扣 MOV基片 热熔量 交流耐受 聚热
由于限压型SPD良好的限压、通流、无续流特性，使得它在各行业的防雷领域里得到广泛的应用。其应用面之广，数量之大，是别的防雷品种无法比拟的。但是随着应用面越来越广泛，数量越来越多，问题也就随之而来。集中表现在以下几方面：
①短路：引起电源起火或跳闸。
②爆炸：引起停电或起火。
③自燃：引起火灾事故。
其中既有电力系统问题，如供电电源单相短路、N线开路、电网电压波动等。也有选用问题，如偏面追求低的限制电压、残压、降低启动电压，导致SPD加速老化烧毁。还有SPD本身的质量问题。
我们曾收集到不少损坏后的样品(有进口的,也有国产的)，并进行了解剖分析，发现在损坏的SPD的MOV基片中，基本上都有大电流烧穿的熔洞；就是炸成了几块的，也有这个现象。这说明大部份电源模块损坏的主要原因是：①SPD内的MOV基片击穿，引起工频电流短路，而脱扣机构未能有效的及时脱开；②材料阻燃特性不理想，遇热变形，阻碍脱扣动作；③结构设计不合理。
为什么会产生这种情况?我们从MOV基片入手，采用不同品牌，同一规格34×34/621产品，做了大量的8/20us大电流冲击寿命试验，得出以下不同寿命曲线。
图1 MOV基片8/20us大电流冲击寿命曲线
从图1可以看出，不同品牌的基片在冲击中表现出不同的寿命衰减(试验中有欧、美、台、大陆的各厂商基片)。而真正符合使用的是第四条缓慢下降的柔性曲线。这种曲线的产品在应用中不会使过电压浪涌和工频电压同时作用在基片上。即使SPD劣化后，伴随过电压浪涌MOV片也只会流过工频小电流，有利于脱扣，这样的高阻击穿不会引起事故。相反，1、2、3条陡变的刚性曲线极可能在浪涌过电压施加的过程中同时伴有工频较大电流，使得MOV片承受不了较大电流而产生热熔性崩溃，这就是低阻击穿。
既然是热熔性崩溃就会产生大量的热，使脱扣机构动作。可是脱扣为什么又不动作?在MOV基片中，当配方组定后，每单个尖晶石的功率也就确定了，那么在有效体积内尖晶石的数量越多，意味着功率越大(不同的组方，数量和的差别大于单个尖晶石间的差别)。为了证实这点，在上述试验基础上又做了数次交流耐受试验。为了保证试验的正确和便于观察，所有MOV基片均不封装，且在同一点和其对应的位置以同样大小的焊点引线，并垂直悬挂，以便焊锡熔化时，引线会自动脱开，及时断电。
其试验结果见下表1：
表1 MOV基片不同配方组试验数据
序号V1mA(V)厚度(MM)施加工频电压(V)流过基片电流(A)基片耐受时间(S)基片状况基片生产商
16132.955821.5～1.911基片击穿、焊锡未熔国内
26222.955280.04～0.1635同上同上
36353.855710.4～0.510焊锡熔化,基片完好欧洲
46683.856010.41～0.69同上同上
56063.225450.8～1.13基片击穿焊锡未熔台湾
66063.225150.1～0.1512同上同上
76233.755300.1～0.416焊锡熔化基片完好国内
86273.755641.1～1.63基片击穿焊锡未熔同上
96593.755600.27～0.3312焊锡熔化基片完好国内
106623.756283.360.5基片击穿焊锡未熔同上
综合分析以上数据，得出这样结论：①厚度在3.3mm以下的热熔量明显不够,其结果都为基片击穿，焊锡未熔；②厚度与国外基片接近，在施加压敏电压0.85倍的工频电压有效值时，其结果都是焊锡熔化，基片完好。但施加至压敏电压0.9倍的工频电压有效值时，其结果也是基片击穿，焊锡未熔。与国外相比，热熔量指标上仍有不少差距；③在同样荷电率情况下，流过基片的电流，欧洲产品明显比其它厂商要小，有利于基片持续工作和聚热。以上观点于2003年11月在海口电压敏学术年会上发表后，引起MOV生产企业极大重视。会后，经过部份企业的努力，在短的时间里，其综合指标有了明显提高。最近我们又对几家MOV基片生产企业提供的样品作了对比试验。数据见下表：
表2 MOV基片不同配方组近期试验数据
序号V1mA(V)厚度(mm)施加工频电压(V)流过基片电流(A)基片耐受时间(S)基片状况基片产地
16324.255880.58基片完好、焊锡熔化国内一厂商
6320.7～1.25同上
714 1.5焊锡熔化基片击穿同时发生
46384.285910.5～0.78基片完好、焊锡熔化
6380.6～1.24同上
7283.31.5焊锡熔化基片击穿同时发生
27173.856450.85焊锡熔化基片完好国内二厂商
6821.62焊锡熔化基片完好
7192.32同上
814 合闸动作基片击穿焊锡熔化同时发生
56623.855960.84基片完好焊锡熔化
6301.72同上
6622.8 焊锡熔化基片完好
734 0.8同上
66383.855750.4～0.59焊锡熔化基片完好欧洲
6060.5～0.65同上
6380.8～1.22.5焊锡熔化基片完好
722 基片击穿焊锡熔化同时发生
36563.855900.45～0.5510焊锡熔化基片完好
6230.6～0.76同上
6561.1～1.33同上
743 1基片击穿与焊锡熔化同时发生 上述结果表明：有选择地使用合适的MOV基片，其热熔量是滿足制作SPD要求。但为什么还有事故发生呢?为此，我们收集了不同厂商的SPD产品(进口与国产两类)又做了交流耐受脱扣试验。其数据见表3：
表3 SPD产品交流耐受脱扣试验数据
序号/项目V1mA施加AC电圧AC电流击穿时间(S)脱扣时间与状态
B1636720V4.1A2脱扣延时3S
B2666754V4.6A2脱扣延时2S
E1635719V2.3A1未脱扣
E2646731V4.7A1未脱扣
D16287113.6A2S起火燃烧、脱扣延时1.5S
C16857754.2A合闸击穿似烟花火焰喷出、脱扣未动作
A16507366.1A1同时脱扣动作
A26697573.61.5同时脱扣动作
经过试验损坏的SPD，其内、外部特征与现场损坏的SPD十分相似：有喷火的、有揭盖的、有凸变形的、也有完好脫扣的。从上述试验数据不难看出，问题出在以下方面：①不脱扣或脱扣不及时；②MOV基片质量不好；③材料阻燃不理想；④结构设计不合理。
小 结
(1)正常情况下，SPD在承受雷电压冲击和过电压时，希望其散热系数越大越好。以利于长期可靠工作。
(2)在非正常情况下，又希望SPD散热系数越小越好，以利于聚热，迫使热脱扣动作，以保证运行的安全。寻找这两者间的平衡点是SPD厂商的质量前提。
(3)不同配方组成的MOV基片，其热熔性不一样。热熔性好的MOV基片不会局部发热，产生喷火。
(4)MOV制造企业应在电压梯度、热熔量和残压三者间寻找平衡点。
(5)内部机构设计要合理，以提高脱扣的灵敏度。 | 
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发表于 2006-3-15 09:50:00
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