电涌保护器的后备保护元件分析

　　一、概述

　　雷电灾害是一种人类目前还无法避免的自然灾害之一，电涌保护器(SPD)是抑制由雷电、电气系统操作或静电等所产生的冲击电压，电涌保护器是保护电子信息技术产品必不可少的器件。随着各种电子信息技术产品越来越多地渗入到社会和家庭生活的各个领域，电涌保护器(SPD)的使用范围日益扩大，市场需求量日益增长。电涌保护器是用于保护电气、电子设备免受雷电电磁脉冲破坏的器件，被作为众多高新科技产品的“保护神”，因此产品本身的安全性、可靠性显得尤其重要。

　　二、电涌保护器故障情况

　　限压型电涌保护器(SPD)产品的核心元件为氧化锌压敏(MOV)元件，其失效后故障表现有短路和开路两类形式。短路故障产生原因主要为电涌电流通过MOV产生的热击穿或电涌电流在MOV表面产生的放电造成两极间金属性短路，其工频短路电流值因系统容量不同从几百至几千安培。SPD产品短路故障的另一类表现即因为失效的 MOV并未完全短路且有一定阻抗，流过MOV的故障电流使其发热燃烧，燃烧过程中在没有完全开路前故障电流在几百毫安至几安培间。对于低压配电系统而言，系统故障主要表现是相线通过SPD对PE线或N线过流故障。

　　三、后备保护元件的作用

　　脱离器失效后电涌保护器(SPD)有可能出现两类故障状况，一类热击穿造成L-N/PE线间接地短路，其电流值可使后备过电流保护元件动作;另一类由于接地故障电流小，过流保护元件不动作，元件(MOV)因发热起火，因此必须在位于电涌保护器(SPD)外部的前端，装设后备保护元件。其作用当电涌保护器(SPD)不能切断工频短路电流时，过电流保护电器动作，把电涌保护器(SPD)从并联线路中断开，使电涌保护器(SPD)不会引起过热而导致火灾、爆炸等事故，同时可保证电源的持续供电。图1分析了市场上多数SPD产品在MOV失效后，MOV通过故障电流与SPD脱离器、熔断器、微型断路器配合关系，从图中可以看到多数SPD脱离器与熔断器、微型断路器等过流保护元件间存在一定盲区。对于此类故障标准要求SPD产品的外壳材料通过相应的耐非正常热和耐热试验，如一定对此类故障进行保护，其后备保护元件应是具有接地故障保护的元件。

　　图1 电涌保护器(SPD)与熔断器、断路器保护配合

　　正确、合理的先用后备保护元件，直接关系到系统及电涌保护器(SPD)的安全性和可靠性。

　　四、后备保护元件的特性

　　1、 熔断丝的特性

　　熔断丝的保护特性亦可称熔化特性，它是熔断丝的主要特性。熔化特性表征通过熔体的电流与熔体熔化时间的关系，它和热继电器的保护特性一样，都是反时限的。

　　熔断器的保护特性中有一熔断电流与不熔断电流的分界线，与此相应的电流就是最小熔化电流IR。它是这样一个电流值，当通过熔体的电流等于它时，熔体在额定电流下绝对不应熔断，故IR>Ie。

　　2、断路器的特性

　　断路器的作用是切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，防止事故扩大，保证安全运行。

　　断路器的主触点是靠手动操作或电动合闸的。主触点闭合后，自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，欠电压脱扣器的线圈和电源并联。当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁吸合，使自由脱扣机构动作，主触点断开主电路。当电路过载时，热脱扣器的热元件发热使双金属片上弯曲，推动自由脱扣机构动作。当电路欠电压时，欠电压脱扣器的衔铁释放。也使自由脱扣机构动作。分励脱扣器则作为远距离控制用，在正常工作时，其线圈是断电的，在需要距离控制时，按下起动按钮，使线圈通电，衔铁带动自由脱扣机构动作，使主触点断开。

　　电涌保护器(SPD)后备保护元件在电力系统中的应用，首先必须考虑承载电涌电流的大小，其次需考虑电源短路电流的大小。与短路电流相比，电涌电流是不可避免的，是强加的电流。

　　五、后备保护元件的选择

　　后备保护元件与SPD配合后，应可保护在额定电涌电流作用时，后备保护元件不动作，保证电涌电流的正常泄放，同时其作用在支路上的残压Ur低于用电设备的保护水平Up。以保证系统及用电设备安全。

　　六、采用熔断器和断路器作后备保护的优缺点

　　1、熔断器的主要优点和特点

　　①采用熔断器作为后备保护元件具有残压低,选择性好。上下级熔断器的熔断体额定电流只要符合国标和IEC标准规定的过电流选择比为1.6：1 的要求，即上级熔断体额定电流不小于下级的该值的1.6 倍，就视为上下级能有选择性切断故障电流;

　　② 限流特性好，分断能力高;

　　③ 相对尺寸较小;

　　④ 价格较便宜。

　　2、熔断器的主要缺点和弱点

　　① 故障熔断后必须更换熔断体;

　　② 保护功能单一，只有一段过电流反时限特性，过载、短路和接地故障都用此防护;

　　③ 发生一相熔断时，对三相电动机将导致两相运转的不良后果，当然可用带发报警信号的熔断器予以弥补，一相熔断可断开三相;

　　④ 不能实现遥控，需要与电动刀开关、开关组合才有可能。

　　3、断路器主要优点和特点

　　① 故障断开后，可以手操复位，不必更换元件，除非切断大短路电流后需要维修;

　　② 有反时限特性的长延时脱扣器和瞬时电流脱扣器两段保护功能，分别作为过载和短路防护用，各司其职;

　　③ 带电操机构时可实现遥控。

　　4、主要缺点和弱点

　　①采用断路器做为后备保护元件具有残压高。上下级非选择型断路器间难以实现选择性切断，故障电流较大时，很容易导致上下级断路器均瞬时断开;

　　②相对价格略高;

　　③部分断路器分断能力较小，如额定电流较小的断路器装设在靠近大容量变压器位置时，会使分断能力不够。现在有高分断能力的产品可以满足，但价较高。

　　七、后备保护元件的安装

　　以TN-C-S系统为例，安装方式如图2所示。