圖1 沖擊電流裝置的主放電回路
Fig. 1 The circuit of impluse current generators
圖中，C為電容器；L為回路總電感，包括間隙電感、接線電感、調(diào)波電感、負(fù)載電感；R是回路總電阻，包括接線電阻、間隙電阻及調(diào)波電阻等；K是放電開關(guān)。
表1為產(chǎn)生20kA的8/20μs沖擊電流的的不同回路參數(shù)設(shè)計情況。
表1 各種8/20μs沖擊電流發(fā)生回路參數(shù)
Tab1. the parameters of various 8/20μs impulse currentcircuit
|
C/μF |
L/μH |
R/Ω |
U0/kV |
源阻抗RP/Ω |
|
4 8 12 16 20 24 28 32 36 |
18.9 9.45 6.30 4.73 3.78 3.15 2.70 2.36 2.10 |
2.043 1.022 0.681 0.511 0.409 0.341 0.292 0.255 0.227 |
77.640 38.820 25.880 19.410 15.528 12.940 11.091 9.705 8.627 |
3.882 1.941 1.294 0.971 0.777 0.647 0.555 0.485 0.431 |
由表1可知，充電電容C一旦確定，L、R便確定，U0只對放電電流峰值產(chǎn)生影響；電容越大，調(diào)波電感、調(diào)波電阻越小，輸出相同的沖擊電流時，所需要的電壓就越低。根據(jù)以上計算數(shù)據(jù)擬合出電容C和源阻抗RP的關(guān)系曲線如圖2所示。
圖2 電容和源阻抗的關(guān)系曲線
Fig. 2the relationship between capacitors and source impedance
由此得出，電容和源阻抗呈非線性的反比例函數(shù)關(guān)系，即充電電容減小直接導(dǎo)致源阻抗增大，反之亦然。下面通過建立MOV模型，仿真分析電容（C）、源阻抗（RP）、通流（Itf）和殘壓（Vres）之間的變化規(guī)律。
研究過程中反復(fù)強調(diào)不同源阻抗的沖擊電流回路以及相同預(yù)期短路電流，其主要原因在于：
（1）不同回路參數(shù)回路的源阻抗不同、試品動態(tài)阻抗不同，如果在相同預(yù)期短路電流下，通過MOV的電流必然不同，如果對其進行補償使其滿足“流過SPD具有相同8/20μs電流波形峰值”，每次的補償值也必然不同，不同的試品、不同的回路不能用
同一個補償系數(shù)來補償。
（2）在相同預(yù)期短路電流下，所有試品都擁有相同的測試條件，流過MOV的電流、殘壓均為研究變量，可以研究相同預(yù)期短路電流下不同源阻抗的沖擊電流回路對試品的影響。
8/20μs沖擊電流發(fā)生回路對測試影響（二）
——源阻抗對試品殘壓的變化規(guī)律
以預(yù)期短路電流為定量，研究MOV的殘壓、通流、動態(tài)內(nèi)阻的變化規(guī)律，具體方案如下：
（1）源阻抗。0.431Ω～3.882Ω共9種仿真回路；
（2）縱向比較。研究不同源阻抗沖擊電流發(fā)生回路在不同預(yù)期短路電流下，相同試品B32K385的殘壓、通流變化規(guī)律。預(yù)期短路電流分別為10kA、20kA和30kA。
（3）橫向比較。研究不同源阻抗沖擊電流發(fā)生回路在相同預(yù)期短路電流下，不同試品（B32K385、B40K385、B60K385，其U1mA：620V）的殘壓、通流變化規(guī)律。標(biāo)稱通流能力分別為10kA、20kA、35kA；
1.不同預(yù)期短路電流下相同試品殘壓的變化規(guī)律
以B32K385為例，仿真得出的10kA、20kA和30kA沖擊電流下殘壓的變化曲線如圖4。
圖4 B32K385不同沖擊電流下的殘壓曲線
Fig. 4 the residual voltage of MOV
從上圖可以看出：
（1）沖擊幅值不同，但三條殘壓曲線幾乎平行，各條殘壓曲線上對應(yīng)點的切線斜率幾乎處處相等；
（2）沖擊電流源阻抗不同，得到的沖擊殘壓也不一樣，但在不同幅值的沖擊下，各條曲線沖擊殘壓差相差不大。10kA、20kA和30kA沖擊電流下，不同源阻抗得到的沖擊殘壓差分別為117.3V、114.7V和120.9V。
（3）以上分析可以引申到計量中，用不同內(nèi)阻的設(shè)備，測試同一個型號的產(chǎn)品時，無論沖擊幅值多大，都可以用一個△U來校準(zhǔn)測量值。
2.相同預(yù)期短路電流下不同試品殘壓的變化規(guī)律
以B32K385、B40K385、B60K385為試品，仿真得到的預(yù)期短路電流為30kA時，試品的沖擊殘壓變化曲線如圖5。
為比較同一預(yù)期短路電流下不同試品沖擊殘壓的差別，將圖5(a)中的數(shù)據(jù)進行處理，具體如下：以B40K385沖擊殘壓線為基準(zhǔn)，使其它曲線的第一個殘壓點與B40K385的重合，得到圖5(b)。
（a）原始?xì)垑簲?shù)據(jù)圖
(a) the original residual voltage
（b）經(jīng)平移處理后的數(shù)據(jù)圖
(b) the figure after translation handled
圖5 30kA下不同試品的殘壓曲線
Fig. 5 the residual voltage curves of different EUTunder 30kA
從上圖得到以下結(jié)論：
（1）從圖5(b)中的發(fā)散趨勢可以看出，在同一沖擊電流幅值下不同通流能力的試品其沖擊殘壓差異不同。因此計量設(shè)備時，不能用不同通流容量的試品來對比兩種設(shè)備。
（2）對于通流容量小的試品，在同一幅值的沖擊下不同源阻抗的沖擊電流源，當(dāng)RP<1Ω時，沖擊殘壓隨源阻抗增加呈現(xiàn)急劇增加；當(dāng)4Ω>RP>1Ω時，沖擊殘壓變化趨于平緩。通流容量大的試品也呈現(xiàn)上述規(guī)律，但在整個區(qū)間內(nèi)最大壓差相對不大（△U max=45V）。
（3）在計量設(shè)備時，小通流的MOV“電壓敏感性”較大，適用小通流的試品來反映其最大誤差，從上圖中可見，B32K385在30kA下B32K385的變化曲線，沖擊殘壓差達(dá)到120.9V。
8/20μs沖擊電流發(fā)生回路對測試影響（三）
——源阻抗對試品動態(tài)阻抗和通流的變化規(guī)律
1.MOV動態(tài)阻抗的變化規(guī)律
以B32K385為例，分析在10kA～30kA時其動態(tài)阻抗的變化規(guī)律。
圖6 B32K385動態(tài)阻抗隨沖擊電流和源阻抗變化曲線
Fig. 6 the B32K385’s dynamic impedance varies with impluse currentand source impedances
從上圖分析可得：
（1）MOV在不同源阻抗的沖擊電流回路中所呈現(xiàn)的動態(tài)阻抗均隨沖擊電流增大而減小，這也充分的體現(xiàn)了MOV的非線性特性。
（2）在同一預(yù)期短路電流下，Rd隨RP增大而減小，在RP<1的區(qū)間內(nèi)，這種變化幅度較明顯。
（3）沖擊電流越小，試品動態(tài)阻抗越大，因此如果在發(fā)生器最小的沖擊電流下流經(jīng)非線性試品的沖擊電流仍符合IEC 61643-1對沖擊電流波的要求，那么此時試品的動態(tài)阻抗即可認(rèn)為是該發(fā)生器的最大帶負(fù)載能力[15,16]。
2.通流變化分析
從大量仿真數(shù)據(jù)上分析可以看出通流的變化規(guī)律和殘壓的規(guī)律相近，但求同存異，仍還有以下幾點需要進一步說明。
（1）通流和沖擊殘壓的變化趨勢相近，變化率相近，因此以上均只分析殘壓與源阻抗等之間的關(guān)系。
圖7為預(yù)期短路電流30kA下試品B32K385仿真得到的沖擊殘壓、通流變化規(guī)律。
圖7 B32K385在30kA下殘壓、通流變化關(guān)系曲線
Fig. 7 the residual and impulse current of MOV under30kA
（2）在相同試品和預(yù)期短路電流下，隨著源阻抗的變化，通過MOV的電流卻發(fā)生了變化，因而導(dǎo)致沖擊殘壓的變化，源阻抗對沖擊殘壓有很大影響。因此可以將試品阻抗值預(yù)先計算在回路內(nèi)來調(diào)波，這樣能有效提高設(shè)備的帶負(fù)載能力。
三期結(jié)論：
從分析8/20μs沖擊發(fā)生回路入手，分析其參數(shù)間的關(guān)系，利用大規(guī)模的仿真計算，分析沖擊電流源阻抗、MOV殘壓之間的關(guān)系，再結(jié)合實際測試，驗證仿真結(jié)論。由此得到些結(jié)論如下：
（1）脈沖電容和源阻抗呈現(xiàn)非線性的反比例關(guān)系，電容越大源阻抗越小，反之亦然。
（2）同一預(yù)期短路電流下，沖擊電流回路的源阻抗越低，所需充電電壓越小，測試同一的試品時，沖擊殘壓隨源阻抗增大而增大。
（3）不同預(yù)期短路電流下，不同源阻抗沖擊電流回路測試同一試品時，沖擊殘壓差基本保持一致，因此在計量中，用不同源阻抗的沖擊電流回路測試同一個試品時，無論沖擊電流幅值多大，都可以用一個△U來校準(zhǔn)測量值。
（4）不同預(yù)期短路電流下，不同源阻抗沖擊電流回路測試不同試品時，通流容量越小的試品其表現(xiàn)出來的電壓敏感性越大，大通流的試品在大電流沖擊下受源阻抗的影響較小，因此在設(shè)備計量時宜選用小通流容量的MOV來測試對比不同發(fā)生系統(tǒng)的性能。沖擊電流越小，試品動態(tài)阻抗越大，在工程計算設(shè)備帶負(fù)載能力時，適用其最小沖擊電流來測試試品。
8/20μs沖擊電流發(fā)生回路對測試影響（四）
——MOV老化特性的實驗研究
利用三臺經(jīng)過計量的具有不同源阻抗的8/20μs脈沖發(fā)生器對同一廠家、同一批次、同一型號的MOV型浪涌保護器進行大規(guī)模測試，分析發(fā)生器設(shè)備對MOV的劣化程度的影響。試驗方案確定如下。
（1）合理抽取測試樣本。從同一廠家、同一批次、同一型號的100只產(chǎn)品中隨機抽取三只用來測試。
（2）使用Haefelypsurge 30.2，源阻抗0.432Ω；ICGS測試系統(tǒng)，源阻抗0.799Ω；利用XJTU 8/20兼容10/350測試系統(tǒng)源阻抗0.52Ω作為驗證。
（3）試品參數(shù)：U1mA: 680V，In: 20kA，Imax: 40kA，UC: 420V，Size: 34*34。
（4）測試方法：三臺設(shè)備分別對三個樣品進行90次沖擊；調(diào)整充電電壓使得流過浪涌保護器的電流峰值為20kA±0.5kA；每沖擊一次冷卻至室溫后記錄U1mA；測試前、測試50次時和最后一次沖擊后測量MOV的相對介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切值tanδ；兩次沖擊時間間隔大于90s（需要拆下測量各種靜態(tài)參數(shù)）。
1.U1mA變化規(guī)律
將測試得到的數(shù)據(jù)得到的變化趨勢如下圖所示：
(a) ICGS系統(tǒng)下U1mA變化規(guī)律
(a) the regular of U1mA under ICGS testing system
(b) Haefely系統(tǒng)下U1mA變化規(guī)律
(b) the regular of U1mA under Haefely testingsystem
圖1 兩種源阻抗設(shè)備下U1mA變化趨勢
Fig.1 the U1mA trandlines ofthe two generators
分析U1mA可以得到如下結(jié)論：
（1）由于MOV的電容效應(yīng)，試驗結(jié)果U1mA隨著測試次數(shù)的增加，均呈現(xiàn)在前幾次內(nèi)快速上升，并保持穩(wěn)定變化，當(dāng)測試達(dá)到一定次數(shù)后快速下降的趨勢。沖擊電流經(jīng)過時，高頻有一部分是經(jīng)過電容的，形成電容電流，并且通過電容的電流的速度比晶界擊穿的速度快。晶界之間的距離是固定的，晶粒的損壞方式不同，決定了壓敏電壓變化趨勢不同。
晶粒的損壞形式主要有兩種：粉碎性損壞和熔穿性損壞。粉碎性損壞使晶粒之間距離變大，壓敏電壓向高變化；熔穿性損壞使晶粒之間距離變小，壓敏電壓向低變化；在初始沖擊階段，晶粒以粉碎性損壞為主，壓敏電壓向高變化；隨著損壞數(shù)量的增多積累，局部阻性增大，損壞的形式開始轉(zhuǎn)向熔穿，壓敏電壓轉(zhuǎn)向低變化[9-10]。
（2）當(dāng)沖擊超過一定次數(shù)后，U1mA穩(wěn)步下降，如表1所示。
表1 U1mA劣化程度與測試次數(shù)關(guān)系
Tab.1 the relationship between degradation degree of U1mA and testing numbers
|
設(shè)備 |
源阻抗 /Ω |
初始U1mA /V |
下降至5%的次數(shù) |
下降至10%的次數(shù) |
|
Haef XJTU ICGS |
0.43 0.52 0.79 |
677 697 681 |
79 68 40 |
90 83 52 |
在一定次數(shù)的沖擊中，壓敏電壓保持穩(wěn)定，這是由MOV的耐沖擊能力決定的，當(dāng)沖擊超過一定次數(shù)后，晶粒出現(xiàn)粉碎性破壞，單位厚度內(nèi)有效晶粒數(shù)減少，使得U1mA降低。ICGS沖擊到22次左右，Haefely沖擊到56次左右U1mA出現(xiàn)“拐點”，即不能保持穩(wěn)定而開始穩(wěn)步下降，這說明MOV已經(jīng)老化到劣化的邊緣了。ICGS沖擊到40次左右，Haefely沖擊到70次左右U1mA的下降速度加快，此時根據(jù)U1mA即可判定MOV完全失效。
（3）設(shè)備源阻抗越大對MOV的老化考驗越嚴(yán)酷。從圖中可以清楚的看出，源阻抗為0.799Ω的ICGS測試系統(tǒng)相對0.432Ωhaefelypsurge30.2對MOV的老化考驗更嚴(yán)酷，前者U1mA在第22次就開始下降，后者U1mA保持到56次才開始緩慢下降；從表中可以看出，隨著源阻抗的增加U1mA下降的速度明顯變快，直至超出10%。阻抗0.432Ω設(shè)備下，90次沖擊后U1mA下降18.94%；阻抗0.799Ω設(shè)備下，U1mA下降9.3%，源阻抗越大，使通過MOV具有相同峰值的電流時，MOV老化速度越快。
2.沖擊前后介電特性的變化
以其中ICGS測試的試品沖擊前后，MOV老化過程中，其介電特性的變化規(guī)律，圖2和圖3為沖擊電流幅值為20kA，沖擊次數(shù)分別為50次和90次的相對介電常數(shù)εr和介質(zhì)損耗tanδ變化的對比。
圖2 沖擊電流幅值為20kAεr值變化
Fig. 2 theεr varies under 20kA implusecurrent
圖3 沖擊電流幅值為20kAtanδ值變化
Fig. 3 the tanδ variesunder 20kA impluse current
圖2、3的對比中可以看出
（1）沖擊作用前，非線性電阻片的相對介電常數(shù)εr與介質(zhì)損耗tanδ隨頻率變化的曲線出現(xiàn)：εr隨著頻率的升高而減小，tanδ在105Hz附近出現(xiàn)了“彌散區(qū)”；在同一頻率處，沖擊后介質(zhì)損耗tanδ值要大于受沖擊前的值，隨著沖擊次數(shù)的增加，tanδ的曲線中“彌散區(qū)”有逐漸消失的趨勢。
（2）沖擊后，相對介電常數(shù)εr隨頻率變化的曲線發(fā)生了漂移，并且在同一頻率處，對應(yīng)的相對介電常數(shù)εr值要大于沖擊前的值；隨著沖擊次數(shù)的增加，ZnO非線性電阻片介電特性表現(xiàn)為介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值增加的幅度加大。
對介電參數(shù)的變化可以這樣解釋為：
（1）沖擊作用后，電阻片發(fā)生老化，部分晶界遭到破壞，使得不同的晶粒界面結(jié)合在一起，從而使得晶粒界面面積增大，進而使得晶粒的體電阻減小，因此在施加相同電壓的情況下，漏電流增大，電導(dǎo)損耗增大。由于非線性電阻片內(nèi)部存在多個不同松弛時間的松弛機構(gòu)，這些松弛時間相差不很大的多個松弛運動產(chǎn)生的松弛極化構(gòu)成了非線性電阻片松弛極化損耗。隨著沖擊次數(shù)增加，電阻片的電導(dǎo)損耗增大，其程度遠(yuǎn)超過了極化損耗，而電導(dǎo)損耗隨頻率的變化，是不存在“彌散區(qū)”的，因此，隨著沖擊次數(shù)增加，tanδ曲線中的“彌散區(qū)”逐漸消失，且隨著沖擊次數(shù)增加損耗值越大。
（2）沖擊作用后，部分晶界遭到破壞，等效串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的電容數(shù)量減小；而破壞后的晶粒間的界面面積增大，使得晶粒界面間電容的增大，這兩種結(jié)果都將導(dǎo)致電容的增大，因此相對介電常數(shù)的增大，且沖擊次數(shù)和沖擊電流幅值的增加，晶界破壞程度越大，老化程度越嚴(yán)重，相對介電常數(shù)的增大也就越明顯。
本文轉(zhuǎn)載自： 孫涌的優(yōu)測實驗室
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