暂态过电压下防雷器的火灾安全
发表自: www.kestar.com.cn 时间:2010-8-2浪涌保护器（以下简称防雷器）能够在最短的时间（纳秒级）内把因雷击产生的大量脉冲能量泄放到大地，将设备连入等电位系统中，保护，是电子设备免受雷电电磁脉冲的危害，是一种普遍采用的雷电保护器件，在雷电防护系统中发挥了很好的作用。但是，防雷保护器的大量使用也带来了新的安全问题—火灾事故：
1996年，发生在江西某地铁路防雷器火灾事故，造成100多万元的设备损坏；2004年3月，内蒙某通讯电源设备防雷器引发火灾；2009年7月，内蒙某风力发电设备防雷器发生火灾；防雷器安全问题引起了人们高度重视，笔者根据多年的防雷设计和事故跟踪，以及实验室模拟的现场环境试验认为：必须保障防雷器本身具有不起火的特征，才能减少或根除这种事故隐患。
防雷保护器由电压限制型和电压开关型两种类型，电压限制型防雷器主要由氧化锌压敏电阻构成，具有响应时间快、成本低廉、通流能力强的优点。电压开关型主要由间隙放电器构成，具有通流能力强、不易劣化的优点。下面分析两种类型的防雷保护器在实际使用中出现火灾事故的原因及防范手段。
1 氧化锌压敏电阻防雷器
压敏电阻是一种以氧化锌为主体、添加多种金属氧化物、经典型的电子陶瓷工艺制成的多晶半导体陶瓷元件，压敏电阻器的钳位伏安特性，是由它的内部微观结构所产生的。陶瓷体是由许多粒径为几微米到几十微米的ZnO晶粒构成的集合体，多个晶粒的交汇处有在高温烧成中形成的多种绝缘化合物。这种结构可用下图的模型来表示：
MOV的这种结构具有以下特性：
（1）、ZnO晶粒尺寸越大，每个单元的热容量就越大，承受功率和能量的能力就越大。
（2）、MOV内部晶粒的“匀质化”程度越高，晶粒的几何尺寸，形状、化学成分和物理特性的一致性越好，“健全的”单元数就越多，电流在电阻体内的分布就越均匀,承受电流、功率和能量的能力就越大。在发生暂态过电压时，呈现出安全的模式。
电源系统发生暂态过电压是随机的，电压高低具有不确定性。铁磁谐振暂态过电压是电力系统常见的现象之一，如电气化铁路机车的高速运动，引起线路参数发生变化，在一定条件下谐振便发生。已经记录到的27.5kV系统谐振时间长达几分钟。另外更加危险的是电源系统高压侧单相接地短路故障，在变压器低压侧地线与相线之间将产生一个应力电压（IEC60364-4-442），该应力电压作用在地线与中性线之间为1200V，作用在地线与相线之间为1200V+U0，该应力电压称为暂态过电压（TOV）故障（见图3）。暂态过电压幅值高，流入电阻体的电流在薄弱点处产生极高的温升而熔化，形成1kΩ左右的短路孔后，电源继续推动一个较大的电流灌入短路点。熔穿的短路点向外喷出高温的火焰，此时的气体由于瞬间尚存在于有限的空间内形成极大的压强而燃爆，这时将会对配电系统造成严重影响，1996年江西某站的防雷器火灾事故，造成100多万元的设备损坏是非常典型的案例。
我国35kV以下供电系统发生单相接地短路故障可以持续运行2小时，防雷器必须具有在这种情况下的安全性能才能保证不发生火灾事故。要达到这样的安全要求，①防雷器必须具备防爆能力。在氧化锌模块周围形成一个防爆腔，将主要部件与外部部件隔离，将瞬时扩大的压力与高热限制在一个较小的局部范围，作为疏导缓冲区或者限压控制区。②具有压力释放通道，使迅速膨胀的高温气体向周围释放或被吸收，不对周围产生灾害性的影响。③快速脱扣机构，使用高品质的氧化锌压敏电阻，在安全脱扣上具有最重要意义！具备这样性能的防雷器我们已能够制造，在实验室模拟高压侧单相接地短路故障试验看到：具有不爆炸、不起火、安全脱扣的性能防雷器，已能够满足铁路安全第一的防雷需要，
压敏电阻是一种以氧化锌为主体、添加多种金属氧化物、经典型的电子陶瓷工艺制成的多晶半导体陶瓷元件，压敏电阻器的钳位伏安特性，是由它的内部微观结构所产生的。陶瓷体是由许多粒径为几微米到几十微米的ZnO晶粒构成的集合体，多个晶粒的交汇处有在高温烧成中形成的多种绝缘化合物。这种结构可用下图的模型来表示：
MOV的这种结构具有以下特性：
（1）、ZnO晶粒尺寸越大，每个单元的热容量就越大，承受功率和能量的能力就越大。
（2）、MOV内部晶粒的“匀质化”程度越高，晶粒的几何尺寸，形状、化学成分和物理特性的一致性越好，“健全的”单元数就越多，电流在电阻体内的分布就越均匀,承受电流、功率和能量的能力就越大。在发生暂态过电压时，呈现出安全的模式。
电源系统发生暂态过电压是随机的，电压高低具有不确定性。铁磁谐振暂态过电压是电力系统常见的现象之一，如电气化铁路机车的高速运动，引起线路参数发生变化，在一定条件下谐振便发生。已经记录到的27.5kV系统谐振时间长达几分钟。另外更加危险的是电源系统高压侧单相接地短路故障，在变压器低压侧地线与相线之间将产生一个应力电压（IEC60364-4-442），该应力电压作用在地线与中性线之间为1200V，作用在地线与相线之间为1200V+U0，该应力电压称为暂态过电压（TOV）故障（见图3）。暂态过电压幅值高，流入电阻体的电流在薄弱点处产生极高的温升而熔化，形成1kΩ左右的短路孔后，电源继续推动一个较大的电流灌入短路点。熔穿的短路点向外喷出高温的火焰，此时的气体由于瞬间尚存在于有限的空间内形成极大的压强而燃爆，这时将会对配电系统造成严重影响，1996年江西某站的防雷器火灾事故，造成100多万元的设备损坏是非常典型的案例。
我国35kV以下供电系统发生单相接地短路故障可以持续运行2小时，防雷器必须具有在这种情况下的安全性能才能保证不发生火灾事故。要达到这样的安全要求，①防雷器必须具备防爆能力。在氧化锌模块周围形成一个防爆腔，将主要部件与外部部件隔离，将瞬时扩大的压力与高热限制在一个较小的局部范围，作为疏导缓冲区或者限压控制区。②具有压力释放通道，使迅速膨胀的高温气体向周围释放或被吸收，不对周围产生灾害性的影响。③快速脱扣机构，使用高品质的氧化锌压敏电阻，在安全脱扣上具有最重要意义！具备这样性能的防雷器我们已能够制造，在实验室模拟高压侧单相接地短路故障试验看到：具有不爆炸、不起火、安全脱扣的性能防雷器，已能够满足铁路安全第一的防雷需要，
2 间隙放电型防雷器
间隙型防雷器具有通流能量大、无漏电流的优点，常见的结构类型有羊角间隙和气体放电管，在GB18802.1-2002/IEC61643-1：1998一级加载试验中，以动作电压作为保护限制电压，放电开始后的电弧电压为后续限制电压，弧电压只有20～30V，电源电压在正负半周高于电弧电压时，迅速流过放电器（称为续流），推动电弧增大。典型电压动作曲线见图6。电弧放电开始后，弧隙间充满了电子和正离子，高温高导电率的游离气体形成自由电弧，弧柱部分温度最高(电弧中心部分维持的温度可达10000℃以上)， 在交流电半个周波结束时，负半周电压迅速上升，弧隙内的高温气体在快速上升电压的作用下，迅速重燃导致电弧持续燃烧，发生重燃过程的同时，还发生着使带电质点减少的去游离过程。如果每次重燃的能量级别能比上一次低，那么重燃电弧就有熄灭的可能。否则重燃电弧将持续下去。变压器的功率大，短路电流具有很强的 破坏力，一旦发生这样的问题，轻则造成防雷器损坏，重则造成变压器损坏，这是电气间隙防雷器不能在L-PE线保护的原因， 2009年7月、8月、9月，我国内蒙某风力发电站使用的国外著名品牌间隙型防雷器发生多起工频续流火灾事故就是典型的案例。
工频续流是电压开关型SPD的一个致命弱点，这种固有特征决定了它不能用于工频电源的相线（L）—地线（PE）或相线（L）—零线（N）之间保护。根据理论推断的续流切断能力高应用于工频电源的相线（L）～地线（PE）或相线（L）～零线（N）之间保护是非常危险的！因为间隙型防雷器这种特征受电源故障因素、环境温度因素等影响无法切断续流，图7的实验室加载试验波形说明了这一点，间隙型放电器的工频续流强烈的向外喷出，不但火灾事故难以避免，而且电源设备也极易损坏。
解决工频续流问题的关键，是提高电压开关型防雷器的电弧电压。多级间隙放电管堆和多级石墨电极结构防雷器的出现，把电弧电压提高到电源电压以上，从根本上解决了电弧电压低引发的续流问题。
3 结束语
防雷是一个体系概念，人们对防雷的要求更多集中在自然雷击对设备损坏的范围，容易忽视暂态过电压对防雷器的损害。所以我们希望所有人更多地掌握SPD的安全知识，去使用SPD,才能使防雷做到安全、有效。
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