MOV型SPD热稳定性试验方法的讨论

近几年来，电涌保护器(SPD)的应用迅速扩展，技术提高很快，提出了多项新要求和相应的试验方法，但有些要求和方法的合理性有待进一步验证。配电系统用的电压限制型SPD的热稳定性试验是其中的一项，该项试验主要是对压敏电阻器(MOV)的热稳定性，以及在热不稳定时其热保护脱离器的动作进行考核。
在使用中，要求SPD具有这样的性能：1)在不大的系统过电压下能保持热稳定（如果在10min时间内，样品表面最热点的温度变化小于2K，就认为达到热稳定了）；2)当由于较大的系统过电压，或由于SPD自身的劣化而不能保持热稳定时，它的热保护脱离器应能可靠动作，使得非线性元件脱离系统电压；3)户内使用的有可能被人员接触到的SPD，无论在保持热稳定状态，或脱离器动作前，其表面的最高温升不允许超过120K，且在脱离器动作后5分钟后这个温升不超过80K，以避免发生人员烫伤事故。试验中也有可能发生非线性元件不能保持热稳定，且热保护脱离器不动作，最后发展到非线性元件热击穿的不合格情况。热稳定性试验的目的就是考核SPD是否符合这几项使用要求。
本文依据热稳定性试验的目的和MOV在工频电压下的特性，从试验参数、试验电源、以及试验应力等三个方面，对热稳定性试验方法进行讨论。
2  热稳定性试验的参数应是试样的功耗，而不应是流过试样的电流有效值
热稳定性试验所关心的是样品的性能与其发热量之间的关系，而与MOV发热量直接相关的参数是功耗，而不是电流有效值。
众所周知，一只理想的限压特性电阻器，即两端电压与流过它的电流无关的电阻性元件，它消耗的能量（或产生的热量）取决于它所传输的电荷量，在时间长短一定的条件下，只与电流的平均值（而不是有效值）有关。而对于线性电阻器来说，在一定时间内的发热量，才是与这段时间内的电流有效值成正比的。因此如果将两个不同的电流脉冲分别通入同一个负载，这两个电流脉冲的有效值一样，但平均值不同，则这两个脉冲在线性电阻负载上所产生的热量是一样的，而在限压型负载上所产生的热量是不同的，平均值大的电流所产生的热量比平均值小的电流所产生的热量多。这就是说，就功耗或发热量而言，有效值适用于线性电阻器，平均值适用于限压型电阻器。MOV的特性接近于理想的电压限制特性，因此应当用电流平均值，而不是电流有效值。
不能用电流有效值的另一个原因是，MOV在工频电压下有一定的电容性电流，有效值中包含了这个分量，但它并不产生热量。
MOV的特性接近于但并不是理想的电压限制特性，当流过它的电流变化时，它的端电压仍有不大的变化，因此，在热稳定性试验中，测量和控制样品的功耗比电流平均值更直接，更准确。从技术上来说，功耗的测量并不困难，采用高工作频率的乘法器IC，很容易实现工频电流信号和电压信号的瞬时值相乘而得出功耗。
3  热稳定性试验应当用恒定电压而不是恒定电流
在MOV型SPD的全部工作寿命中，它是在电压源下工作的。MOV的热稳定性试验必须考虑它在电压源下的特性，因为这些特性都与功耗有关，例如：
1) 在工频电压下，MOV中的电阻性电流是底部时间宽度为τ的脉冲（图1），τ值随工频电压的加压比Rap（工频电压的峰值对于压敏电压之比）的增大而增大，并可用式(1)计算得到。
τ =10-0.11sin-1(1/Rap)    （单位：ms）          (1)
对于图1这样的电流波，用一般的有效值变换电路得到它的有效值，大约需要0.2s~0.3s的时间。因此，对于比这个时间快的电流有效值的变动，是不可能通过电路反馈调整得到补偿的。
2) 工频电压刚加到MOV上时，MOV中的电流有一个下降变化的稳定过程（图2） ：第1个电流脉冲的峰值最大，然后按照时间常数大约为28ms的指数规律下降。在图2中，第1个峰值大约是稳态峰值的1.7倍。不过，随着电压/电流值的增大，第1个峰值与稳态峰值的差别减小。这种现象是MOV内在特性的表现，是不可能通过电路调整来将电流值保持在规定试验值的10%以内的。