模数化模数化 SPDSPD 模块的结构模块的结构 现在使用数量最多的电源用 SPD 是模数化 SPD 模块。它和大多数低压终端电器一样，器件的宽度制成 9mm 的整数倍，且采用标准导轨安装。这种模块又有 “可分式”和 “一体式”(整体式)两种。可分式模块的功能件与安装基座之间通过插头座连接，因而当功能块损坏后可以拔出更换。一体式的功能件与安装基座是不可分的。图 2.14-14 示意性地表示了模数化 SPD 模块的一种内部结构，整个结构装入一个塑料外壳中。 图 2.14-14 模数化 SPD 模块的一种内部结构。 SPD 模块中的构件，除了上一节讨论的电压限制元件外，还有：外壳,接线端子，连接导体，脱离器,状态指示器和遥测信号接线端子等。下面讨论这些构件，有关脱离器及其状态指示的问题将在“3.3，电源用 SPD 的安全性”中进行讨论。 1. 1. 外壳外壳 SPD 模块的外壳大多用模压塑料绝缘外壳，常用材料为 PBT 塑料或增强尼龙。SPD 技术标准对外壳提出了多方面的要求，主要是机械强度(撞击试验)，耐热性(提高温度条件下的球压试验)，阻燃性(850的灼热丝试验)，耐漏电起痕，以及绝缘性(绝缘电阻和耐电压试验)等。 外壳的防护等级(表征外壳防止外部固体异物进入壳内， 防止人手触及带电部分或运动部件，和防止水进入壳内的防护程度的指标)一般要求达到 IP20 等级。 2. 2. 接线端子接线端子 确保 SPD 与外电路连接的接线端子的质量， 对于 SPD 的可靠工作有重要意义， 但常被人们所忽视， 故有必要予以强调。 在产品设计中应确定流过每一个接线端子的最大放电电流，二端口 SPD 和输入/输出分开的一端口 SPD 的接线端子，还应确定最大负载电流。接线端子的接线能力应与上述两个电流的要求相吻合，例如标称放电电流大于等于 5kA 时，接线端子至少要能夹紧截面积 4mm及以下的导线.。在 SPD 的生产和检验中，还应通过以下三项试验来保证接线端子的质量： 按规定将导线接入接线端子后， 通过对导线的拉力试验来检验连接的可靠性； 经过接线试验后检验导线的外观应没有过度损伤， 螺纹没有滑扣和损坏；测量接线端子与导线之间的接触电阻不应超过规定值(例如 0.05)。 3. 3. 连接导体连接导体 ， 接线螺丝端子 连接导体 连接导体与 MOV 引出端的焊接点 MOV 电阻片 低熔点的热脱离焊接点 弹性金属片 微动开关 指示灯 送出遥测信号的接线端子 SPD 内部的连接导体应有足够的截面积，长度要尽量短。冲击电流载流导体中的电流密度不能超过允许值，否则在大冲击电流下，导体的温升会太高，甚至熔断。现行的 SPD技术标准还没有给出内部导体电流密度的规定。 下面提出一个铜导体的允许冲击电流密度J(kA/cm)的粗略估算方法，该方法把冲击电流在导体中引起温升的过程近似地作为一个绝热过程来处理，即冲击电流产生的能量全部被导体吸收，使导体温度升高T(K)，于是只要给定允许的导体温升T，就可以计算出导体的允许电流密度 J 了，铜导体的计算公式为： kTJ1.14 )/(2mmkA （2.14-9） 式中, T 为导体允许温升（K） ，k为波形系数,对于 8/20 电流波k=12.2；对于 10/350电流波k=250。 这样， 若允许一次冲击电流引起的温升T=40K， 则铜导体的允许电流密度对 8/20 电流为25.5)/(2mmkA，对 10/350 电流 为 5.6)/(2mmkA。 SPD 中连接导体的长度要尽量短， 以减小浪涌电流在连接线上所产生的电阻性压降和电感性压降， 以及导线所受的电动力。 一般来说 SPD 中连接导体的电阻性压降相对于电感性压降要小得多， 因此通常只考虑电感性成分。 导体的分布电感可按 0.01H/cm 来估计，于是一个 8/20-40kA 的冲击电流在 1cm 长导体上所产生的电感性压降大体等于： VSkAHdtdiLu50)(8)(40)(01.0 这里把电流从零上升到峰值的过程近似看作是线性上升的过程。 还要说明一点， 就是在计算 SPD 的限制电压时， 严格来说不能把导体的电感性压降与电压限制元件的限制电压简单相加，因为两者的相位，即出现的时间点不相同。不过在实际工作中，作为一种留有余地的粗略估计，常把它们直接相加来计算整个 SPD 的限制电压。 4.4. SPDSPD 中的电动力问题中的电动力问题 SPD 中的放电电流峰值,有时高达几 10kA,或更高， 因此结构设计时必须考虑电动力问题，能经受住电动力的反复作用。 一对在空气介质中的方向平行的载流导体，电流分别为 I1和 I2，如果它们的平行相对的长度为 L，相互间距为 a，则相互作用的电动力 F 可用下式作近似计算： )/(102217aLIIF(2.14-10) 式中: F 为电动力（牛顿） ，I1,I2为电流（安培） ，L 和 a 分别是两载流导体平行的长度和间距（用同一单位） 。电动力 F 的方向是这样的：如果两个电流方向相同，则使载流导体相互靠近；如果两个电流方向相反，就将载流导体相互推开。电动力的大小还与两个载流导体的相对方向密切相关，两个载流导体 并行时电动力最大，垂直时最小。所以 SPD 的内部设计，为减小电动力，应尽量减小导体长度，加大两载流导体之间的距离，使两载流导体的走向相互垂直。 5. 5. 电气间隙和爬电距离电气间隙和爬电距离 电位不等的金属件之间的电气间隙和爬电距离， 要满足 SPD 技术标准 GB18802.1 的要求，以防止浪涌入侵时构件之间发生跳火。 6. 6. 灌封材料灌封材料 有的 SPD 采用灌封环氧树酯或硅树酯等绝缘材料的办法， 来将内部构件与外壳固定起来，在这种情况下，灌封绝缘材料的选择和确定正确的灌封工艺是非常重要的，灌封材料应满足以下几个方面的要求： （1）足够的绝缘性，防潮性和机械强度。 （2）不燃性。SPD 必须保证在 TOV 条件下和短路失效条件下不会起火。多数有机灌封材料，尽管它的阻燃性能满足 Vo 级的要求，但它仍是一种燃料，因此以少用为好。 （3）与被灌封元件的化学稳定性。事实证明，有的灌封材料会与 MOV 的陶瓷体发生化学反应，使 MOV 型 SPD 的漏电流越来越大，最后烧坏。 （4）热胀系数与外壳的匹配性。灌封材料的热胀系数与外壳不匹配，就会导致 SPD 存放一段时间后或经过温度循环试验后外壳开裂。 7. 7. SPDSPD 结构的冲击验证试验结构的冲击验证试验 一个新设计的 SPD，往往有设计人员考虑不到的问题，为了揭示这些问题，以便采取改进措施，应当在规定的最大放电电流范围内，从小到大地进行冲击验证试验，试验中重点检查以下五个方面： （1）测量 SPD 内部的温度分布，找出过热点。 （2）检查是否有跳火和击穿部位，以确定空气间隙和爬电距离是否足够。 （3）检查 SPD 内部各构件上的限制电压，研究进一步降低它们的可能性。 （4） 检查放电时和放电后一个短时间内是否有高频振荡，若有，应改进设计，将它消除； （5）检查电动力的影响和结构牢固性。 电源用电源用 SPDSPD 的安全性的安全性 SPD 本身是一种安全保护器件，但在电路中特别是电源电路中接入 SPD 后，又可能带来新的安全问题。SPD 的电压限制元件是并接在系统上的，无论是钳位特性元件还是开关特性元件，都有可能发生老化失效或短路，从而导致 SPD 本身和/或系统起火，甚至出现人身电击的危险性。 SPD 的这种不安全性有两种情况：一是进入 SPD 的电功率及其持续时间，超过了它保持热平衡的允许值，致使 SPD 的温度持续上升而引起燃烧。解决这一问题的对策是在 SPD中设置“过热脱离器” 。二是一个过强的冲击电流或暂时过电压使 SPD 突然（例如不足 1秒）击穿短路，且 SPD 的短路阻抗相对于电源阻抗很小，因此击穿后进入 SPD 的功率并不大，结果它的温度达不到过热脱离器的动作温度，而使短路状态长时间维持。解决这一问题的对策是在 SPD 的电路中再加入“后备保护” 。 SPDSPD 的过热脱离器的过热脱离器 下面讨论 SPD 中 MOV 漏电流持续增大，最终热击穿的原因，过热脱离器的技术要求以及当前过热脱离器存在的问题和改进措施等三个问题。 1. MOV 漏电流持续增大的原因 SPD 中的 MOV 在正常工作寿命期内发生漏电流持续增大而热击穿的原因，主要有下面三个： （1）SPD 安装地点的浪涌过电压的出现频度，幅值较大，使 MOV 内在的安秒资源提前耗尽而进入劣 化失效阶段。 （2）持续的较大的系统过电压。实验结果表明，当工频电压对 MOV 的加压比 Rap 大体在0.6左右时MOV型SPD能在规定的寿命期内长期而稳定地工作。 Rap大体在0.8-1.13左右，SPD 能保持熱稳定，即电阻体的温度，电阻性电流和功耗都能稳定在某个数值上，但稳定工作的持续时间将随着 Rap 的提高而迅速减小。Rap 高到 1.14 以上，SPD不能保持熱稳定，很快发展到热击穿。MOV 耐受 工频过电压的时间（S） ，即从加上工频电压到它击穿短路的时间（） ，与加压比（Rap）的统计关系大体如图 2.14-15 所示。 （3）SPD 存在制造缺陷，因而提前进入老化失效阶段。 例如灌封材料与 MOV 发生化学反应，或者 MOV 电阻 片本身有早期失效问题。因此 SPD 制造中应重视对 MOV 的可靠性筛选，将有早期失效隐患的产品剔除。 虽然上面讨论的是 MOV 的热击穿，然而开关特性 SPD 也有类似的问题。气体放电管，空气间隙等电 压开关型元件在数值不大的持续工频电流下也会出 图 2.14-15 MOV 的工频过电压耐受性 1 10 100 1000 0.1 1.1 1.2 1.3 log (s) Rap 现短路失效，也应设置过热保护脱离器。 2. 热脱离器的技术要求 目前 SPD 的大多过热脱离器都如 图 2.14-14 所示， 是在 MOV 的引出片上设置一个低熔点的焊接点，其熔化温度一般在 120-150，当焊接点的温度超过该熔点时，依靠弹性片或弹簧的弹力将电路连接拉断。这个脱离机构应满足下述基本要求： （1）在给 SPD 通入电流，检验过热脱离器动作的试验中，应满足 IEC61643-1 的三项要求： SPD的表面温升不超过120K， 脱离器动作后 5min 内相对于环境温度的温升不超过 80K，脱离器的断路应可靠，在 SPD 的 Uc 电压下的漏电流不超过 0.5mA。 （2）在 SPD 规定的机械试验和气候试验中，以及 SPD 的动作负载试验中，脱离器不应动作。 （3）脱离器在 SPD 的 Uc 电压下动作时应有一定的开断能力。 我国邮电行业标准 YD/T1235，依据通信行业中 SPD 的运行经验，对 SPD 的过热脱离器提出了更严格的要求， 规定无论是钳位特性 SPD， 还是开关特性 SPD， 都应设置脱离器，并将试验电流提高到 5A，要求 5A 工频电流通入 SPD 时，脱离器能有效脱离。 3. 热脱离器的问题及其改进措施 提高热脱离器的工作可靠性是 SPD 行业最重要的技术课题之一。 目前 SPD 热脱离器主要有三个问题：一是误动作，即 SPD 并未发生过热，脱离器就脱离了，主要原因是低熔点焊点的机械强度差，弹性力就将它拉脱了。二是不动作，主要原因是热设计不合理和 MOV电阻片质量差。 第三是脱离特性不一致， 分散性大， 主要原因是手工焊接， 质量一致性差。提高 SPD 热脱离器技术性能的工作方向主要有以下四点： （1）开发一种新的低熔点接点材料，它要满足这样一些要求：熔点在（130-150）;具有足够的机械强度，能够承受弹性零件的拉力；导电性良好，在 SPD 的最大放电电流下的温度要远低于它的熔点，且