淺談 SPD浪涌保護器熱脫扣和 SCB后備保護器電磁脫扣
劉洪 陳華 劉廣陵 張錦鋒
本文作者多人都是從事陶瓷氣體放電管 GDT的設計、生產、應用近 20 年的從業人員，單在 GDT 產品上，算是專家。但是，在防雷工程、浪涌保護器 SPD，以及最近幾年新開發出的后備保護器產品 SCB方面，我們只能算一個深度參與者。本文中心議題是談 SPD 熱脫扣和 SCB 電磁脫扣問題，團隊明顯還是不太全面。由于無知所以無畏，我們敢于說真話、說實話。本文一定會有不當不正確的地方，還請看到此文的專家不吝糾正，歡迎拍磚。
先說個故事，這事差不多近十年了。有國內某知名 SPD 生產商給國內知名通信公司提供帶脫扣 SPD 產品，由于批次送檢，熱脫扣不穩定，先后有批次產品抽檢不合格，整批產品判退。供應商損失慘重，產品的主管工程師順理成章成了主要責任人！重壓之下唯有“離職謝罪”。還有運營商機柜起火等類似事件，我們知道的前后多家公司，發生類似事件多起。運營商、SPD 提供商都損失巨大，有些非常優秀的 SPD設計制造工程師，重壓之下從此無奈改行了。
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核心議題
本文的核心議題是浪涌保護器SPD熱脫扣問題。組成 SPD 的關鍵核心器件，無外乎是壓敏電阻 MOV、陶瓷氣體放電管 GDT、半導體放電管 SSG 和瞬態抑制管 TVS 等。過壓動作時，這些器件擊穿點（發熱點）是不確定的，表面積越大的產品，發熱點越難捕獲。單次的放電點，可以用“飄忽不定”來形容，可能是產品中部、可能是邊緣。另外，熱穩定性也是個問題，如果結構上設計有非常容易散熱導熱的接插件，熱脫扣的效果又不同了。非雷擊時靜態、雷擊時都不能脫開（就有聽說，SPD 放倉庫存放，就自己脫扣了）；過流過載過熱時，又要迅速脫開，否則就有釀成起火事故的可能，要把握好這個平衡，確實有一定的難度。
總結一下影響 SPD 熱脫扣反應速度是秒級別（S），影響一致性效果的相關要素：
1、 壓敏電阻 MOV、陶瓷氣體放電管 GDT 產品特性的一致性；
2、 選擇低溫焊錫熔點溫度大小；
3、 低溫焊接點焊錫量多少；
4、 低溫焊接點接觸面積大小、兩連接片是平面焊接？還是穿孔焊接（可形成工字型錫柱的立體焊接）；
5、 彈簧彈力大小；
6、 脫扣后兩電極片能脫開的行程大小；
7、 是否設計有滅弧機構，滅弧效果如何（絕大部分 SPD 由于空間有限，都省掉了此滅弧機構）；就算有此機構，滅弧能力也是有一定范圍的，這里也就引出應用場景的概念了，不可能一個產品滿足所有應用場景。
8、 焊接 MOV、GDT 電極片材料材質；
9、 焊接 MOV、GDT 電極片材料尺寸大小，傳導散熱效果；
10、熱脫扣發生時的環境溫、濕度…
稍微整理列舉，就十個以上的相關影響要素！每一個要素，都可能導致不同的結果（至少脫扣時間是不同的，可能 3 秒，可能 5 秒），由于上十、百 A 電流，電壓幾百伏，MOV、GDT 熱積累，引燃外殼、周圍材料的概率還是非常大的。可見“謝罪”的工程師比竇娥還冤！
雖如此，浪涌保護器 SPD 作為防雷工程的核心防護器件，大多數公司為提高產品可靠性，做出了卓越的努力，也設計生產出了非常可靠的SPD 產品，為防雷減災作出了非常大的貢獻。作為傳統技術生產的 SPD 熱脫扣產品（定義為技術路線一）雖有瑕疵，還有很多地方需要不斷的優化完善，大家無時無刻，都在為做出高度可靠的 SPD 產品，做著不懈的努力，安迅防雷m.tianhengkj.cn
02
傳統技術路線對產品的改進
基于以上傳統 SPD 應用痛點，較多的陶瓷氣體放電管元件公司，對陶瓷氣體放電管元件，進行了不斷的優化升級改進，設計制造出高弧光電壓，淬火滅弧特性更好的單層（應用 NPE 上，具備～300A 熄滅弧能力）、多層陶瓷氣體放電管（應用 LNPE 全模上，具備高達10kA 熄滅弧能力），或者是多層石墨間隙模塊。此類多間隙元件產品，有非常好的防雷電過壓特性，還非常高效的改善了遮斷續流特性，在相對固定的應用場景里面（在一定的續流范圍內，比如 255vAC，0～10kA 以內），可以做到無續流。能推出此類產品，過程也是非常曲折和艱難。早期，國內某些權威機構、大佬認為有風險，不主張采用！此后國外大品牌不斷推出此類產品，國內才慢慢開始批量使用開來。
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“技術路線三”——后備保護器技術（ SCB）
還有一些公司，選擇了第三條路線，借鑒漏電斷路器的原理，走電磁脫開的技術路線。我們覺得也是一個不錯的創新之舉。此技術路線，就是最近比較熱門的后備保護器產品 SCB。下面是 SCB 技術原理圖：
SCB 在工頻分斷能力上，繼承了漏電斷路器的能力，能非常方便地設計分斷電流大小，將可能帶來損害的熱參數轉換為電流參數。電流產生磁感應電動勢，磁芯動桿推動機構分斷，非常靈敏、迅速(反應速度是毫秒級 100mS)。要素相對簡單可控，優勢還是非常明顯（相對熱脫扣多要素影響）。
SCB 一經推出，也是爭議不斷。如同當初，多層 GDT 產品使用在 LN 線路上，國內權威大佬，也是非常謹慎，不敢越雷池半步。但是，最近幾年，多層 GDT、多層石墨模塊，已經大批量使用在 LNPE 全模防雷工程上。大家要習慣這類爭議拿它當改善產品的動力，力爭把產品做的更好，來回應這種質疑！當然，要做到工頻、高頻雷電各走各路，盡量少的影響對方，消除防雷盲區、誤動作等。對 SCB 工程技術人員，也還是提出較多較高的要求，有待 SCB 工程師不斷優化完善。對此我們就不專業了，此處不再班門弄斧了。
深圳市威特科電子有限公司，也是較早推出適合 SCB 高頻雷電路徑的 GDT，此類 GDT 能量密度高，具備超大通流能力，高續流遮斷能力，快速響應特性，殘壓極低，符合 TOV 測試、IEC61643-11 等標準要求，能非常好的配合 SCB 的各項特性要求。非常欣慰的是，此類 GDT 產品已經有上千萬只的數量級，服務在國內、國際大品牌的各類電器設備上，并得到了客戶一致好評。
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技術路線四——為啥能滅弧？
以上介紹了三種技術路線，來解決防雷工程上SPD 交流過載脫扣問題。下面介紹第四種非常特殊技術路線，說它特殊，是因為這個技術，已經存在幾十年了。也是一種固定空氣間隙產品（類似石墨間隙產品），輔助氣道結構+氫爆滅弧機理。此技術路線，結構相對石墨間隙復雜一些，特別是固態析氫材料（是核心卡脖子材料），具備絕緣特性，外觀類似泡棉，塑O型膠墊狀，放在左右間隙中間氣道內。雷擊過壓時，左右間隙在輔助電路觸發下，Up 在 1500v 以內著火產生電弧，電弧把熱量傳遞給固態析氫材料，固態析氫材料遇熱析出 H2，H2+氣道原有的氧氣O2，遇電弧火花，產生氫爆，炸斷后續電弧（高熱高壓氣浪從里向外、單向噴涌而出），起到滅弧的作用，有高達 50kA 續流遮斷能力。國內現在還沒有能出其左右的產品，把以毒攻毒應用到極致。
大家再回過頭來看看，傳統“技術線路一”生產的 SPD 脫扣裝置熱脫扣，為啥那么難？熱源問題，結構問題，材料問題，環境問題，滅弧問題…太多需要控制要素了！
“技術路線四”生產制作的 SPD，國外已經使用超 30年（待更加詳實的考證），作者能查到的專利是上世紀 95 年代的。大家都應該猜到了，是 DEHN 的主打產品。我們國內能理解其原理的人并不多。下圖“產品 A”是能找到的國內老前輩的技術解說，非常接近了，但還是沒有說明白核心要素，為啥能吹滅弧？作者作為中國的技術一員，感覺非常慚愧。
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非主流的“技術路線五”
“技術線路五”（作者定義為非主流）：美國 Szerosurge 公司，他們拒絕使用 MOV 元件，強烈推薦使用串聯模式濾波器技術，如下圖產品。這家公司的產品我們團隊沒有深入研究過，只是當做一個技術路線，推薦給大家。感興趣的朋友，可以自己深入研究，并分享技術優缺點給大家。
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結束語
總體看來，五條技術線路都各有優缺點，都不可能盡善盡美。只能是在特定環境、不同行業場景應用上，找到合適的、性價比最優、最大可能保護的方案。
鑒于最近看到個別行業機構、專業人士大佬，又和以前壓制“技術線路二”（不敢使用多層陶瓷氣體放電管、多層石墨間隙產品）一樣，現又有意無意的打壓新技術 SCB 的發展，故步自封，不敢接受新事物，故有寫此文章的想法。
我們希望很快會有更優秀的第六、第七條技術路線脫穎而出，百家爭鳴。
我們相信，所有的技術路線，都有專業公司、有科技人員在攻關。希望有更多的專業公司、更多的科技人員不斷探索，把雷電防護、防過壓過流技術推向更高更強領域！
