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雷電防護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．中國華云技術開發公司 北京100081)</P><P> <BR> 摘要：在雷電防護過程中，由雷擊電磁脈沖引起的干擾破壞，目前通常使用電涌保護器來實現對微電子設備的保護。國際上電涌保護器采用的金屬氧化鋅閥片主要采取兩種連接方法：一個是以美、英為主的采取多片金屬氧化鋅并聯使用的方法，使用的標準為UL1449第二版，另一個是以法、德為主德采取單片金屬氧化鋅技術的方法，使用的標準為IEC61643-1-2。金屬氧化鋅閥片并聯使用的優點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，但歐洲及國內一些專家認為多片金屬氧化鋅閥片并聯使用，由于漏流、壓敏電壓等性能不一致，造成能量分配不均勻，產生閥片熱崩潰。作者帶這這些問題在美國JOSLYN公司實驗室做了試驗，得出了一些非常有價值的測試數據。分析認為：金屬氧化鋅閥片只要進行一定的篩選、配對、并采取適當的措施是可以并聯使用的。<BR> 關鍵詞：雷電防護、氧化鋅閥片、并聯使用、測試研究</P><P> <BR> 一、 前言<BR> 大氣中的雷電現象會給人類的生存和社會活動帶來危害，對它的防護問題一直是人們關心的問題。隨著社會經濟和科學技術的發展，微電子設備的廣泛應用，我們不僅耀注意預防對影響建筑物或其他物體的直擊雷災害，而且對雷擊電磁脈沖（LEMP）的防護更給足夠地重視[1] [2] [3]，目前國內外在實施雷電防護過程中對于LEMP的防護，通常是采用電涌保護器（SPD）（SURGE PROTECTIVE DEVICES）限制瞬態過電壓和引導泄放電涌電流來實現[4] [5] [6]，現在一般在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、絕大多數是使用MOV閥片。在低壓電路中為了達到25～50ns高速響應時間，國際上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。美國在UL1449第二版《瞬時電壓浪涌保護器標準》TVSS（TRANSIENT VOLTAGE SURGE SUPPRESION）中建議[7]，采用多片MOV閥片并聯使用，以達到更大的通流容量。由于目前在國內外多片MOV閥片并聯技術的測試試驗和分析研究工作還不多，所以對這一技術在雷電防護中使用也存在不同看法。本文針對上述問題，試圖通過在美國JOSLYN公司實驗室的測試試驗，以及對樣本和數據的分析，對多片MOV閥片并聯技術的使用給出了肯定的答復。<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，呈高阻抗狀態。當電壓高于壓敏電壓時，由于閥片內的齊納效應和雪崩效應，迅速呈低阻抗。電壓低于壓敏電壓又回到高阻抗狀態。MOV閥片的好壞主要決定以下一些參數。<BR> 1、 壓敏電壓<BR> 當溫度為20℃，一般認為在MOV閥片上有1mA電流流過的時候，相應加在該閥片上的電壓叫做壓敏電壓。應按如下公式計算：<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小于±10％<BR> 2、 漏電流<BR> MOV閥片在標稱持續工作電壓下流過閥片的電流稱為漏電流。按國家標準應小于30μA。沖擊前后的變化率應小于200％。<BR> 3、 殘壓及殘壓比<BR> 在規定波形、標稱放電電流沖擊氧化鋅閥片，閥片兩端測到的電壓峰值，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≤3。<BR> 三、 MOV閥片的并聯使用<BR> 在保證高速響應的前提下，要提高TVSS或SPD的通流容量，一般采取多片并聯使用。歐洲及國內一些專家認為多片MOV閥片并聯使用，由于閥片性能不一致，可能產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使用。但目前國際上使用在低壓電源配電系統上的單片MOV閥片的最大通流容量只能達到60-70KA（8/20μs）滿足不了實際工程的需要，所以對于MOV閥片并聯使用的研究具有十分重要的意義。<BR> 四、 在美國JOSLYN實驗室測試數據分析<BR> 美國JOSLYN公司是雷電浪涌防護的專業公司，從1950年就開始專門研究雷電和瞬間過電壓保護。JOSLYN公司從1979年以來一直生產并行MOV的TVSS、產品遍布世界130多個國家的通信、電力、交通、航空、金融、計算機網絡等。美國總統座機空軍一號就采用了該公司的產品。<BR> 作者與美國JOSLYN公司實驗室的Hans Steinhaff博士進行了以下的測試。<BR> （一） 測試儀器<BR> 1、 Keytek 587型8/20μs波形標準沖擊試驗儀。<BR> 2、 Keytek S1/S3、S4/S5/S6及S7的浪涌網絡單元。<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存儲式示波器。<BR> （二） 樣本的抽取<BR> 本次試驗一共抽取三組樣本，A組是隨機從一批產品中抽取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閥片產品中抽出壓敏電壓最高的25片，從另一批產品中抽出壓敏電壓最低的25片樣品。所有的MOV閥片在同一等級通流容量下沖擊兩次，表1顯示了通過每組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組中選出每兩片MOV閥片配為一對（共25對），并聯后經同一電流沖擊兩次測得得平均數值。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（共25對），并聯后經同一電流沖擊兩次測得平均數值。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（共25對），并聯后經同一電流沖擊兩次測得的平均數值。</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極1mA壓敏電壓的變化。<BR> 表2 沖擊前后正負極壓敏電壓平均值（V）<BR> 樣品 沖擊前 沖擊后<BR> 正 負 正 負<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） 數據分析<BR> 從表1不難看出，A組同一批發貨樣品中抽出的MOV閥片，即使沒有經過嚴格篩選、配對，不管在小電流還是大電流沖擊情況下，并聯兩片MOV閥片上吸收的能量基本平衡，但在B組同一批產品中，抽出MOV閥片壓敏電壓最高和最低配對。在小電流（125－750A）沖擊下，兩片并聯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，在小電流（125～750A）沖擊下，兩片并聯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MOV閥片上電流也還基本平衡。</P><P> 五、 JOSLYN實驗室做的其它輔助測試<BR> （一）、近來JOSLYN公司從一批產品中任意抽取6各使用3片20mmMOV閥片并聯的TVSS，沖擊電流為1500A，波形為8/20μs，經過10000次沖擊試驗（記錄了2500次的測試），其中5各TVSS經過10000次沖擊后，1mA下的壓敏電壓變化率≤±10％，另一個在8500次沖擊測試后，1mA下壓敏電壓變化率＞10％。<BR> （二）、另一個測試將4片MOV閥片并聯，不用刻意去匹配，沖擊電流為10000A，波形8/20μs，一共沖擊220次，然后分別在測試前、中、后4片并聯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）、另一個制造商生產的TVSS，也使用上述同樣的方法測試，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壓敏電壓產生了大于10％的變化。</P><P> 六、 結論 <BR> （一）、由于MOV閥片性能不一致，特別是1mA下壓敏電壓不一致，會造成在小電流（125～750A）沖擊下多片MOV閥片并聯時，每個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，多片并聯使用時每片MOV閥片吸收雷電能量基本一致。<BR> （三）、因此，只要對MOV閥片略加挑選配對，且利用保險絲阻抗幫助平衡電流，多片MOV閥片是可以并聯使用的，不會因吸收能量不一致而產生熱崩潰或提早老化。<BR> 參考文獻：<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 《建筑物防雷設計規范》（2000年版）<BR> ⑷ IEC61643-1 1998 《連接至低配電系統電涌保護器》第一部分性能要求和試驗方法<BR> ⑸ IEC61643-2/Ed1.0 2000 《連接電信網絡及信號網絡的電涌保護器》第一部分性能要求和試驗方法<BR> ⑹ IEEE 《低壓防浪涌裝置性能》<BR> ⑺ UL 1449第二版 《瞬時電壓浪涌保護器標準》TVSS<BR> ⑻ 彭濟南、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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