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关于雷电防护中金属氧化锌阀片使用研究

上海市防雷中心         蔡振新

    中国华云技术开发公司    陈善敏

    大气中的雷电现象会给人类的生存和社会活动带来危害,对它的防护问题一直是人们关心的问题。随着社会经济和科学技术的发展,微电子设备的广泛应用,我们不仅耀注意预防对影响建筑物或其他物体的直击雷灾害,而且对雷击电磁脉冲(LEMP)的防护更给足够地重视[1] [2] [3],目前国内外在实施雷电防护过程中对于LEMP的防护,通常是采用电涌保护器(SPD)(SURGE PROTECTIVE DEVICES)限制瞬态过电压和引导泄放电涌电流来实现[4] [5] [6],现在一般在SPD中使用的主要器件为:金属氧化锌(MOV)阀片、放电间隙、气体或固体放电管、滤波线圈、瞬变二极管(SIDACTOR)等,而使用在低压线路(220V~/380V~)中的SPD、绝大多数是使用MOV阀片。在低压电路中为了达到25~50ns高速响应时间,国际上MOV阀片的直径一般控制在14~20mm左右,最大通流容量一般在60~70KA,电流波形为8/20μs。美国在UL1449第二版《瞬时电压浪涌保护器标准》TVSS(TRANSIENT VOLTAGE SURGE SUPPRESION)中建议[7],采用多片MOV阀片并联使用,以达到更大的通流容量。由于目前在国内外多片MOV阀片并联技术的测试试验和分析研究工作还不多,所以对这一技术在雷电防护中使用也存在不同看法。本文针对上述问题,试图通过在美国JOSLYN公司实验室的测试试验,以及对样本和数据的分析,对多片MOV阀片并联技术的使用给出了肯定的答复。

二、MOV阀片的主要性能

    MOV阀片的主要成分为氧化锌(ZnO),并渗有少量的其它氧化物,外层由两层铅和一层塑料涂层组成[8],在低压电源系统中,一般采用圆形的直径为14mm和20mm的MOV阀片。在直流电压为3KV下,电容量分别为5600PF和22000PF,标称通流容量分别为4KA和6.5KA,电流波形为8/20μs。MOV阀片两端电压低于压敏电压时,呈高阻抗状态。当电压高于压敏电压时,由于阀片内的齐纳效应和雪崩效应,迅速呈低阻抗。电压低于压敏电压又回到高阻抗状态。MOV阀片的好坏主要决定以下一些参数。

1、压敏电压

    当温度为20℃,一般认为在MOV阀片上有1mA电流流过的时候,相应加在该阀片上的电压叫做压敏电压。应按如下公式计算:

    Vn≥(VNII×√2 /0.7)1.2

    式中:VNMOV阀片压敏电压值

    VNH电源额定电压值(有效值)

    压敏电压冲击前后的变化率应小于±10%

2、漏电流

    MOV阀片在标称持续工作电压下流过阀片的电流称为漏电流。按国家标准应小于30μA。冲击前后的变化率应小于200%。

3、残压及残压比

    在规定波形、标称放电电流冲击氧化锌阀片,阀片两端测到的电压峰值,称为残压。残压与压敏电压的比值,称为残压比。

    一般情况下残压比应≤3。

三、MOV阀片的并联使用

    在保证高速响应的前提下,要提高TVSS或SPD的通流容量,一般采取多片并联使用。欧洲及国内一些专家认为多片MOV阀片并联使用,由于阀片性能不一致,可能产生雷电能量分配不均匀,造成MOV阀片的温度升高,性能下降,导致热崩溃,或提早老化、失效,因此不主张采取多片氧化锌阀片并联使用。但目前国际上使用在低压电源配电系统上的单片MOV阀片的最大通流容量只能达到60-70KA(8/20μs)满足不了实际工程的需要,所以对于MOV阀片并联使用的研究具有十分重要的意义。