关于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。
3) 当工频电压持续加在MOV上时，若MOV能保持热稳定，则有两种不同的机制使电流向相反方向变化：一是由于晶粒间势垒的变化使压敏电压上升，意味着等效阻抗增大，电流下降；二是由于温度上升引起的压敏电压下降，电流增大，因为压敏电压的温度系数是负值。两种机制，何者起主导作用，取决于其他条件。
4) 尽管外加工频电压波是对称的，但每个电流脉冲则是不对称的：电流波上升过程的时间宽度大于下降过程的时间宽度。例如图3中，前者大体是4.5mS(t1)，而后者为3mS(t2)。不同条件下的具体时间可能不同，但上升时间宽度大于下降时间宽度则是MOV的普遍现象。
5) 当工频电压持续加在MOV上而它不能保持热稳定时，MOV电阻片中就会发生电流向一个微小区域集中的现象，如图4所示，这时电流呈雪崩增长而热击穿。MOV的热稳定试验方法应当允许发生这个在实际使用中本来就会出现的现象，而不应当要求以恒定电流来限制它的发生。
若以恒定电流对MOV进行试验，上述特性将受到干扰，或被改变，因而不能代表实际工作情况。另一方面，由于MOV具有上述特性，企图通过试验电路的调整，将试验电流有效值控制在10%以内，实际上也是很困难的。
4  热稳定性试验的应力强度
热稳定性试验的应力强度，可以从试样的额定功率开始，以3个不同的功率值进行试验就足够了，没有必要按规定的电流有效值增量逐级试验。为了便于说明，先列举两个试验实例。
试验例1
样品为环氧树脂封装的压敏电阻器，规格CJV34S，实际压敏电压505.0V，依次加上6种不同的电功率，在每种功率下试验到样品达到热平衡，用热像仪测量出最高表面温度，减去环境温度后得出温升，结果如表1。 
表 1  MOV(CJV34S- 505.0V)的功率～温升测量结果
试验点 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥
功率P(W) 1.38 2.51 3.71 4.71 5.72 8.08
温升ΔT(K) 13 28 43 57 68 96
将表1的测试结果作成“温升ΔT~功率P”曲线，见图5。
试验例2
样品为塑料壳封装的SPD，内含3只并联的CJV34S-681 MOV元件，实际压敏电压671.4V，在3种不同的功率下，进行与例1同样的试验，结果如表2。
表 2  SPD(CJP385-100kA)的功率～温升测量结果
试验点 ① ② ③
功率P(W) 5.23 8.55 11
温升ΔT(K) 14 42 60
将表2的测试结果作成“温升ΔT~功率P”曲线，见图6。
对测试结果的讨论
像MOV和MOV-型SPD这一类电压限制型器件，它们的热平衡状态的表面温升与电功率之间有较好的线性关系，也就是说，每瓦功率产生的温升是个常数。通常把每瓦功率产生的温升称为“热阻”(RT)，单位K/W。每一种型号规格的MOV或MOV型SPD，都有一个确定的热阻值，只要找出了样品的热阻值，就掌握了它的热平衡温升与电功率之间的对应关系了。因此在SPD的热稳定性试验中，没有必要以2mA的电流增量逐级试验，而只要在两个不同的电功率下试验直到样品热平衡，以两次试验的表面温度差除以功率差，求出热阻，就可以知道在不同电功率条件下的温升了。