限压型SPD起火与MOV工频击穿点

限压型SPD起火与MOV工频击穿点

费自豪，庞驰，张雷

（贵州飞舸电子有限公司，贵 阳 550006）

摘要：压敏电阻（MOV）被工频熔穿后短路并不是通常理解的零阻抗短路，热态下它仍有数欧至数十欧的阻值，相当于回路中接了一个阻值较小的限流电阻，其短路电流从十数安至数十安不等，但极少能达到100A以上，这使得用作SPD前端保护的空开很可能不跳断，从而造成SPD起火并持续燃烧。所以在遇上较高的故障过电压后，MOV熔穿不可避免，避免SPD起火燃烧的关键在于保证击穿喷火的热量能快速传导至热脱扣焊点熔化低熔点合金，使热脱扣动作脱离。这既涉及到SPD的热脱扣设计是否合理，也涉及到MOV的工频耐受能力及其击穿点区域的控制技术。

1. 两例SPD起火实例
       1.1. 2009年上半年，东北某铁路工程安装单位误将Uc为48V（压敏电压U1mA为100V）的低压防雷器接入220V的电网中，防雷器瞬间喷火，造成列车停运的重大事故；施工单位、生产厂家均被通报批评并严厉处罚。主管部门处罚生产厂商的主要理由就是：线路接错，防雷器可以失效、自身可以损坏，但是不能成为一个喷火的火源。该事件影响深远，2010年对原来通过CRCC认证的17家防雷企业重新做认证，仅5家再次通过。
       1.2. 2010年中期，某防雷器生产厂家的Uc为385V的防雷箱误接在690V的系统中，通电数秒防雷箱即起火燃烧并波及整个配电房，也造成了十分严重的后果。

       这两件事故的原因本质上是相同的，都是误将低电压等级的SPD接入了高压系统，考虑到我国电网的现状和现阶段工程人员的素养，此类误将低压SPD接入高压系统的事件仍会出现，故对此两例事件的分析有一定的典型意义。

2. 起火原因分析
       两件起火事故的根本原因都是由于在超过SPD的Uc值数倍的极端高压作用下，MOV芯片未充分发热就已经局部熔穿，熔穿点阻抗最低，电流大部由此流过，造成短路喷火；而未击穿区流过电流极小，几乎不发热。所以如果击穿喷火的热量不能快速被热脱离机构吸收，热脱离机构就不会动作脱离，起火燃烧就无可避免。
       图1所示是两类MOV芯片在工频击穿瞬间的热成像图，左面两片的击穿点在芯片边缘，右面两片的击穿点则位于芯片中部。明显可见，击穿点在边缘的芯片只在击穿点周围的一小片区域有热量产生，能达到较高的温度，而芯片其余地区几乎不发热，这样除非热脱扣点正好位于击穿点，否则必然是击穿点已经喷火燃烧而热脱扣仍自巍然不动。相反击穿点在中部的芯片则是整体发热，能保证有足够的热量通过铜电极片快速传导至热脱扣焊点熔化低熔点合金，使热脱扣快速动作脱离。

图1.几种MOV芯片工频击穿瞬间的热成像图

图2.分析了MOV三种形式分布的击穿点对SPD热脱扣性能的影响。


(a)击穿点在芯片边缘铜电极区之外 (b) 击穿点在中部的铜电极区 (c)击穿点受控在芯片中心—最理想
图2.不同击穿点MOV

       图2(a)击穿点在芯片边缘铜电极区之外，铜电极遮盖不住击穿点，击穿喷火热量只能先通过压敏瓷体传导至铜电极再从铜电极传导至热脱扣点，不能直接通过铜电极传导，耗时太长，结果是SPD已经成了一个持续喷火的火源而热脱离机构还未动作脱离，这必然引燃配电房中的其他装备，终酿成重大事故。
       图2(b). 击穿点在中部的铜电极区，这对SPD安全性至少有如下好处：
       (1）芯片击穿前发热量最高的击穿点被铜片覆盖，发热易被铜片疏导，芯片不易击穿并且更利于热脱离机构快速动作。
       (2）芯片熔穿后的喷火被铜片捂盖，有效防止防雷器起火燃烧；铜电极直接吸收喷火热量并快速传导至脱扣点，使热脱离机构快速脱离，保护SPD自身的安全。
       所以，MOV工频击穿点中移至铜电极区使得SPD的安全性大大提高。
       图2(c) 击穿点受控在芯片中心的极小区域， MOV芯片工频击穿点从原来的随机不可控转为可控。该特性对提高SPD安全性更是意义非凡：只要针对性地将SPD的热脱离点设计在芯片中心区域，工频击穿点与脱扣点的距离最短，击穿点被完全捂盖，可以说只要热脱离机构不发生机械故障，无论遇上多高的暂时过电压，都可杜绝SPD起火。这是目前MOV制造技术的最高水准，唯一缺点是技术手段较复杂，成本较高。

图3. MOV烧结时低熔点物质挥发示意图

3. MOV工频击穿点中移相关技术问题
       MOV芯片一般是多层叠放烧结，烧成温度通常在1150～1200℃之间，压敏电阻中的氧化铋、氧化锑等低熔点物质在800～950℃即已经是液态，高温烧成下会形成气态进一步挥发，这种挥发主要影响四周侧面，其后果是使从侧面边缘到中部的低熔点物质构成一个浓度差分布，严重者在边缘地区形成一个低熔点物质的贫化带。所以压敏芯片的传统制造工艺决定了其击穿点只会在边缘，而且越靠近边缘越薄弱越容易击穿。所以必须增加一道工序采用抑制挥发或反渗弥补等特殊技术手段来实现击穿点中移，这必然导致生产成本的上扬。
       必须指出，试图用加大铜电极面积来遮盖击穿点的方法不仅是徒劳的（因为击穿点总会出现在导电体的边缘），而且还有隐患（越靠近边缘越容易击穿）。

4. 结束语

       SPD是对主体设备做雷击浪涌保护，在很多情况下都是处于重要而不绝对必要的地位，它能否在电网中保证自身的安全，而不成为一个令用户担心的安全隐患，对保证整个防雷行业的健康发展是极其重要的。一味追求低成本，在选型用料等方面不对安全性能给予足够的重视，必将对整个防雷行业的发展带来灾难性的后果，如前述通过CRCC认证的企业由17家锐减至5家即是明证。行业主管部门对SPD在工频故障过电压下的安全性能尤其要给予足够的重视，严格检测规范，提高技术质量门槛，保证整个行业健康发展。