[转帖]电涌保护器（SPD）I级分类试验测试方法探讨

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电涌保护器（SPD）I级分类试验测试方法探讨

——上海市防雷中心 作者：蔡振新 2003年04月07日

摘要：随着微电子设备的广泛应用，低压电器受雷击电磁脉冲损害越来越严重。因此，预防雷击电磁脉冲的电涌保护器的使用越来越广泛。中国加入WTO，国外产品大量进入中国市场，但到目前为止我国还没有一个能够按国际IEC标准对SPD进行试验的实验室。世界上也只有少数几个国家具有这种测试水平。特别是电涌保护器（SPD）I级分类试验测试。世界上也只有法国、瑞士等少数几个国家具有这样设备。
2002年中国气象局决定在北京、上海筹建两个国家级SPD测试中心，为我们研究电涌保护器（SPD）I级分类试验测试方法提供了有利条件。
关键词：SPD、I级分类试验、测试方法、探讨

1、前言

国际电工委员会（IEC）在IEC61312-1：1995雷击电磁脉冲的防护，第一部分通则中明确规定：首次雷击的雷电流参数为下表1。

并在附录C中给出了模拟首次雷击电流上程式的典型测试电路。如图1

IEC以在61643-11电涌保护器性能要求和试验方法中明确规定，I级分类冲击电流试验、冲击电流Iimp包括电流峰值Ipeak和电荷量Q。冲击电流Iimp应在10ns内达到规定的电荷量Q（Q=0.5Ipeak）。在试验中应计算冲击电流Iimp的单位能量W/R，（R为单位电阻1Ω）。电流峰值Ipeak及电荷量Q的容差为：Ipeak±10%  Q±10%

   

IEC虽然作了上述规定，但是因首次雷击10/350μS的电量非常大。100KA达到50库仑，能量非常高。100KA达到2.5MJ/Ω。因此使用普通RLC发生电路很难达到上述要求。例如：对于100KA，10/350μS波形发生电路粗略计算：
Q = (1/2) Ip ×700 ×10-6 ........(1)
式中Q为总电荷量，Ip为总时间为700μS的三角波电流波。
Ip = 2.86 ×10-3CU0 ........（2）
式中C为发生器电路充电电容。U0为发生器电路充电电压。
实际工程计算：Ip =( U0/e)·f(α) ρ=√L/C
f(a)=e-y  α=(1/2)R/ρ
y=αtn-1(√α2-1/α)/√α2-1
式中RL为发生器回路内阻及电感。
由此可见Ip=1.9×10-3×C U0........(3)
若将Ip=100KA  U0=100KV代入（3）
得C=526μF  C U0=52.6×106
则电感量L=1750/C=3.3μF 总电阻R=525/C≈1Ω

式中525、1750是由10/350μS波形推导而来。

由此可见无论是从技术上、费用上使用普通RLC电路很难实现100KA。10/350μS波形模拟雷击电流。国内也有专家提出使用多路充放电并联能发来达到大能量10/350μS波形。目前正在试验中。

2、克罗巴(CROWbar. Circuit)电路原理
典型的克罗巴（CROWbar. Circuit）电路如图3a所示
图2a是一个普通RLC脉冲发生器电路，产生的波形如图2b所示。图3a在普通RLC电路中增加克罗巴（CROWbar.circuit）电路，产生的波形如图3b所示。
克罗巴（CROWbar. Circuit）电路主要由克罗巴火化间隙（CROWbar Spark gap）、脉冲发生器（impulse generator）、电压分压器（Voltage divider）、控制单元（control unit）、充电整流器（charging.rectifier）等组成。
 
 
   克罗巴火花间隙是对中间电极触发的三个电极间隙。为了能在几个ns上升时间内产生140KV峰值电压，然后高的间隙首先触发，紧接低间隙晚20ns触发。通过这一电路，可以实现特别的正弦半波电流和将无衰减的冲击电流转换为非周期性的衰减冲击电流。在100KV脉冲电压电路里设计线圈，会产生很强的反电动磁力要十分小心。
目前世界上只有瑞士生产了几套100KA 10/350μS波形的冲击试验设备。法国OBO公司BET实验室生产了200KA 10/350μS波形的冲击设备。现将这些设备对于试品冲击的关际波形，如下图所示：

 

图4.BET公司200KA 10/350μS波形冲击试验图。瑞士Haefely公司生产100KA 10/350μS波形冲击试验，部分波形图如图5a、图5b。

             No.4  ECI  Ipk:19.401 KA

                   T1:9.439μS  T2:127.427μS

No.4  ECI  Ipk:19.401 KA

                      T1:9.439μS  T2:127.427μS

图5.瑞士Haefely公司100KA 10/350μS波形试验图。

3、实际测试的效果分析
从上面图4a、4b、4c，图5a、5b波形图看到这些设备在短路状态下都能得到10/350μS标准首次雷击波形图。但加上试品后，波形就各不相同。视在波前时间T1及视在半峰值时间T2很难控制在10/350μS标准范围内。法国BET实验室Meppelink教授认为：克罗巴电路原理仅适宜和用于测试低电阻和低残压的SPD试品上，其它情况下波形会产生巨大变化，测试精度也不能得到保证。
瑞士DiDier Grall博士指出：首次雷击10/350μS波形的视在半峰值时间T2是由时间常数τ=L/R决定的。因此对于SPD如果能满足调节Z=Ures/Ipeak<10mΩ，则可以得到正确的10/350μS波形。
式中，Ures是试品两端测到的残压，Ipeak是冲击峰值电流。
但目前我们掌握的资料，世界上大部分属于I级分类试验的SPD产品的Z值大于10mΩ,因此大部分试品上得不到10/350μS的正确波形。很多专家将L设计成可调型，通过调节L来达到10/350μS的正确波形。但由于如此小的电感量：3-4μH已是分布电感量级，工业制造上非常困难。所以还是很难实现在大部分试品上（EUT）获得10/350μS的正确波形。

4、结论
4.1 由于IEC61312-1雷击电磁脉冲的防护通则及IEC61643低压电涌保护器性能和测试方法中规定的I级分类试验产品的测试没有明确规定是否带试品情况下获得10/350μS波形。因此目前普遍采用克罗巴（CROWbar.circuit）电路实验模拟首次雷击电流的上升速度Δi/Δt。并且在短路情况下得到10/350μS波形。

4.2 目前学术界争论比较多的10/350μS波形SPD的能量Q是8/20μS波形SPD能量Q的多少倍？德国人认为20倍，国内有些专家计算为17倍，也有的计算为4.5-5倍。笔者认为，从不同角度看，计算都没有错，但没有什么实际意义。因为由于各种SPD内阻及电感的差异，10/350μS波形电流通过这些试品时得出的波形各不相同，吸收的能量也不一样，因此实际上没有可比性。只有当两个产品的参数（内阻、电感量）基本一致时，比较才有意义。
4.3 为了便于SPD的选择和使用，生产10/350μS波形发生器的厂家应通过改变结构调节L或通过其它特殊手段（国内有专家提出几路并联触发生高能量的10/350μS波形），在大部分间隙放电器及部分金属氧化锌SPD上，能得到10/350μS波形。
4.4 IEC标准委员会应明确规定，I级分类试验产品的测试是否在带试品情况下得到10/350μS波形。如果是带试品测试得到10/350μS波形的话，应规定I级分类试验产品的内阻应在什么范围内。

参考文献：

1、IEC61312-1雷击电磁脉冲的防护第一部分通则

2、IEC61643-11低压电涌保护器性能和测试方法

3、模拟多种雷电流测试SPD的新冲击发生器  作者Jan.Meppelink：

4、关于10/350 冲击电流波的讨论 作者：张南法

通天雷神

这篇好象看过。防雷世界上的还是防雷技术上的。怎么没有图啊？

yuvictory

似的

solemnity

防雷技术上的啊。

xs02556

重温一下也不错