雷电防护中金属氧化锌阀片使用研究

　

摘要：雷电防护过程中，由雷击电磁脉冲引起的干扰破坏，目前通常使用电涌保护器来实现对微电子设备的保护。电涌保护器采用的金属氧化锌阀片主要采取两种连接方法：一个是以美、英为主的采取多片金属氧化锌并联使用，使用的标准为UL1449第二版，另一个是以法、德为主德采取单片金属氧化锌技术，使用的标准为IEC61643-1-2。金属氧化锌阀片并联使用的优点可以得到较大的通流容量，防止单片金属氧化锌阀片击穿后冒烟和爆炸，但欧洲及国内一些专家认为多片金属氧化锌阀片并联使用，由于漏流、压敏电压等性能不一致，造成能量分配不均匀，产生阀片热崩溃。作者带这这些问题在美国JOSLYN公司实验室做了试验，得出了一些非常有价值的测试数据。分析认为：金属氧化锌阀片只要进行一定的筛选、配对、并采取适当的措施是可以并联使用的。

关键词：雷电防护 氧化锌阀片 并联使用 测试研究
一、 前言
　　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：VN――MOV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。

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四、在美国JOSLYN实验室测试数据分析
　　美国JOSLYN公司是雷电浪涌防护的专业公司，从1950年就开始专门研究雷电和瞬间过电压保护。JOSLYN公司从1979年以来一直生产并行MOV的TVSS、产品遍布世界130多个国家的通信、电力、交通、航空、金融、计算机网络等。美国总统座机空军一号就采用了该公司的产品。
作者与美国JOSLYN公司实验室的Hans Steinhaff博士进行了以下的测试。
（一）测试仪器
1、Keytek 587型8/20μs波形标准冲击试验仪。
2、Keytek S1/S3、S4/S5/S6及S7的浪涌网络单元。
3、Peason 301x型电子宽带电流变换器。
4、7A26双踪放大器。
5、Tekronix7835存储式示波器。
（二）样本的抽取
　　本次试验一共抽取三组样本，A组是随机从一批产品中抽取50片MOV阀片；B组从一批阀片中选取1mA压敏电压最高和最低的MOV阀片各25片；C组是从一批MOV阀片产品中抽出压敏电压最高的25片，从另一批产品中抽出压敏电压最低的25片样品。所有的MOV阀片在同一等级通流容量下冲击两次，表1显示了通过每组MOV阀片受冲击后电流的平均值及占总电流的百分比。表中A1、A2是从A组中选出每两片MOV阀片配为一对（共25对），并联后经同一电流冲击两次测得得平均数值。B1、B2是从B组中选出压敏电压最高和最低得MOV阀片各片配为一对（共25对），并联后经同一电流冲击两次测得平均数值。C1、C2是从C组中选出压敏电压最高和最低的MOV阀片各片配为一对（共25对），并联后经同一电流冲击两次测得的平均数值。
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