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信息技术系统电涌保护器检测技术研究

作者: | 发布时间:2022-10-30 10:18:01 | 浏览次数:

【摘要】本文首先介绍了信息技术系统电涌保护器需要定期检测的重要性,然后从电涌保护器的发展历程分析了其内部组成结构,通过对其内部电涌保护元件的伏安特性及失效特征的研究,分析了离线检测技术和在线检测技术的检测原理及优缺点,最后得出电涌保护器的检测需要将离线检测技术和在线检测技术相结合的结论。

【关键词】电涌保护器;SPD;检测技术;离线检测;在线检测

1.引言

随着科学技术的发展,当今社会已经进入到信息化时代,计算机网络的普及促使各种微电子设备和大规模集成电路在信息技术系统中得到了广泛的应用。众所周知,信息技术系统是在弱电环境下工作的,因此,信息技术系统对于外界的干扰非常敏感。电涌是瞬间出现超出稳定值的峰值,是电路中出现的一种短暂的电流或电压波动,在电路中通常持续约百万分之一秒,是影响信息技术系统信号品质的最主要的外界干扰,其造成的灾害程度和范围日益广泛。

在信息技术系统中,为保证设备安全和信号品质,提高电子设备抗击电涌电磁脉冲干扰能力,按照国家标准要求加装了各种类型的电涌保护器(SPD),但由于运行中的SPD长期处于工作电压及电涌发生时冲击电流作用下,因此在使用过程中会出现劣化现象,从而导致SPD保护性能下降,甚至损坏,无法对信息技术系统进行保护,甚至会影响系统的正常运行,因此需要对SPD进行检测,以确保其运行可靠,发挥其电涌保护作用。

2.电涌保护器使用寿命及检测周期

在对SPD进行检测前,SPD的使用寿命是多长?在使用寿命内的检测周期是怎样的呢?这些信息是与SPD的检测息息相关的。

根据GB 18802.12-2006《低压配电系统的电涌保护器(SPD)第12部分选择和使用导则》3.33条注2,规定:SPD预期使用寿命由SPD替代方式、使用场合和可行性、可接受的失效率及运行经验来确定。第5.5.24条,规定:SPD失效模式取决于电涌电流和电压的幅值,数量和波形、电力系统的短路能力和失效时SPD上施加电压的值。

从国家标准中我们可以看出,简单的提SPD的使用寿命是不科学的,SPD的使用寿命是由其所在系统工作环境的电源和信号质量、所在系统的电涌防护安全重要程度、在运行期内所承受电涌的数量和大小等因素决定的,因此SPD更加需要进行定期检测,以判断其是否在寿命范围内,是否能够满足电涌保护的需要。

中国气象局第20号令《防雷减灾管理办法》第四章第十九条规定“投入使用后的防雷装置实行定期检测制度。防雷装置应当每年检测一次,对爆炸和火灾危险环境场所的防雷装置应当每半年检测一次”。雷电是电涌的一种表现形式,SPD属于防雷装置的一种,因此其检测周期需要按该要求进行。

3.电涌保护器发展历程

根据SPD内部组成元件的不同以及电子电路技术的发展,SPD经历了由单一非线性元件的SPD,到复合型SPD,再到多级SPD的发展历程。单一非线性元件的SPD,是指包含一个非线性元件的SPD,又可细分为电压开关型SPD、电压限制型SPD。电压开关型SPD,是指没有电涌时具有高阻抗,当对电涌电压响应时能突变成低阻抗的SPD,其常用的元件有放电间隙、气体放电管等。电压限制型SPD,是指没有电涌时具有高阻抗,但是随着电涌电流和电压的上升,其阻抗将持续地减小的SPD,其常用的非线性元件是压敏电阻和瞬态抑制二极管。

复合型SPD,是指包含两个非线性元件的SPD,由电压开关型元件和电压限制型元件组成的SPD,其特性随所加电压的特性可以表现为电压开关型、电压限制型或两者皆有。

多级SPD,是多种非线性元件集成在一起,形成不同能量等级保护的SPD。

4.离线SPD检测技术

从SPD的结构我们可以看出,不论是哪一发展阶段的SPD,其对信息技术系统的设备安全和信号品质提供抗电磁脉冲干扰作用的关键是其内部的非线性元件,通过这些元件的特性将电涌电压限制到某一个电压值下,将大的电涌电流泄放到大地中,从而对信息技术系统提供保护。离线SPD检测技术的工作原理是通过检测SPD内部非线性元件的技术参数来判断SPD的正常与失效。

SPD内部的非线性元件为压敏电阻、气体放电管和瞬态抑制二极管。

压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性,当过电压出现在压敏电阻的两极间,压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值,从而实现对后级电路的保护。图1是压敏电阻的伏-安特性曲线,电涌保护时工作在限压区,当压敏电阻出现老化或失效时,其参考电压(U1mA)和泄漏电流会发生变化。

气体放电管是一种开关型保护器件,当过电压出现在气体放电管的两极间,达到其启动电压时,气体放电管会迅速对地短路,将大电流泄放到大地中去,其两极间的电压因对地短路而降到后端设备电压耐受能力之内,实现对后端设备的保护。图2是气体放电管的伏-安特性曲线,电涌保护时工作在AB段和DE段。当气体放电管失效时,其直流放电电压会发生变化,因此直流放电电压是判断气体放电管正常或失效的一个重要参数。

瞬态抑制二极管,简称TVS,是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以10的负12次方秒量级的速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的电涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,有效地保护电子线路中的精密元器件,免受各种浪涌脉冲的损坏。图3是瞬态抑制二极管的伏安特性曲线,电涌保护时工作在反向击穿区,反向击穿电压是判断其正常与失效的一个重要参数。

离线SPD检测技术是利用电涌保护器检测仪模拟电涌的产生,通过产生直流高压,加在SPD内部电涌保护器器件(压敏电阻、气体放电管、TVS管)的两端,使其导通,在导通瞬间测量其静态参数(压敏电阻的参考电压和泄漏电流、气体放电管的直流放电电压、TVS管的反向击穿电压),然后通过判断测量值是否在其标称值允许范围内来判断SPD的正常与失效,如图4所示。

从离线SPD检测技术中,我们不难看到,要对SPD离线进行检测,SPD必须为其内部的每一个电涌保护器件预留出测试端。从上文中我们知道,为了追求卓越的电涌保护性能,SPD正往多级SPD的方向发展,也就是说SPD内部集成的非线性元器件越来越多,所以SPD的设计者们不可能为SPD中的每一个元器件都预留出两个测试端,这是限制电涌保护器离线检测的最主要原因。

另一方面,SPD离线检测技术需要对SPD施加高压,因此SPD不能在工作状态下进行检测,只能是在离线状态下进行,即SPD要从信息技术系统工作线路中拆卸下来,这不仅增加了SPD维护人员的工作量、降低了工作效率、提高了维护成本,而且中断了信息技术系统的正常工作、干扰了正常的工作秩序。这是限制SPD离线检测技术发展的另一重要原因。

5.在线SPD检测技术

鉴于离线SPD检测技术存在的局限性,在线SPD检测技术的发展就成为必然。我们知道SPD的作用是用于限制瞬态过电压和泄放电涌电流的,因SPD内部的电涌保护器件是电子元器件,有其固有的寿命,所以SPD不可能无限次的限制瞬态过电压和泄放电涌电流,那么SPD失效的根本原因就是其在进行电涌保护的过程中可能承受了数量过多或者能量过大的电涌电流的冲击,这些电涌电流的冲击使SPD可能因吸收大量的能量造成自身的热过载,或者因泄放大容量的电涌电流导致自身的电气过载,但是不论何种形式的过载,直接表现就是SPD内部的电涌保护器件会发热。如果我们在SPD内部电涌保护器件上增加热敏感装置,当SPD因过载失效时,热敏感装置就会发生变化,从而传递出SPD失效的信息。在线SPD检测技术就是利用这个原理来实现对SPD检测的。

压敏电阻型SPD,如图5所示,当其内部的压敏电阻(MOV)发生过载老化或者失效后,在其正常的工作环境下漏电流会逐渐增大,导致MOV发热,热量会传导至其热脱扣装置K1K2,K1K2受热升温,达到一定的温度时发生脱扣,连接在K1K2上的状态显示器就会发生状态改变(由绿色变为红色),用户现场就能够知道SPD已经发生老化或者失效,通过遥信告警开关可以把SPD的状态信息传输给不在现场的用户。机械脱扣和温断管脱扣是热脱扣装置常用的脱扣方式,机械脱扣一般由低温焊锡配合机械弹簧或弹簧片组成,通过使用具有热熔断性能的材料或元件来检测温度并熔断;温断管脱扣方式,当其内部温度达到脱扣温度时,温断管内部电路就会熔断。机械脱扣和温断管脱扣用到的热量都是通过MOV的金属引脚或者通过与MOV元件表面接触以及空气散热等方式传递给热脱扣装置的,这种方式热量传导相对较慢,因此脱扣动作需要的热积累时间比较长,因此决定了只有压敏电阻型的SPD才可以用这种方式检测其处于正常还是失效状态。

气体放电管型和瞬态抑制二极管型的SPD,其失效状态是开路或短路,不会造成热量积累,因此通过热脱扣装置实现其状态检测是行不通的,但是他们的失效也确实是由电气过载或者热过载引起的,那么通过什么办法实现其状态检测呢?通过反复试验,在SPD内部的气体放电管和瞬态抑制二极管表面上贴有对温度更加敏感的温感标签,这些温感标签相互之间构成一个电回路(图6中THERMAL FUSE构成的回路),当气体放电管和瞬态抑制二极管在进行电涌保护时,泄放的总电涌能量超过其能力时,产生的热量就会使温感标签融化消失,电回路就会中断。也就是说电回路的通断,反映出了电涌保护器的状态。这种检测技术在进行SPD检测时,需要提供能量来测试温感标签组成的回路的通断状态,这个可以通过射频技术提供能量或者直接接入外接电源来实现。

在线SPD检测技术,通过检测SPD的电气过载和热过载来判断SPD的状态,不需要拆卸SPD,降低了设备维护人员的工作强度、提高了工作效率、减少了维护成本;不需要切断信号技术系统线路,保障了正常的生产秩序、满足了不间断生产的需要;能对日益广泛的多级SPD进行检测,符合SPD可持续发展的要求。但是在线SPD检测技术也存在缺陷,就是对进一步分析判断SPD内部哪一个元器件失效则是无能为力的。

6.结语

从上文描述中,我们知道离线SPD检测技术和在线SPD检测技术各有优缺点,在实际应用中,要注意扬长避短,结合这两种检测技术的优势特点对SPD进行维护。例如,对于不间断生产的控制系统,因SPD的使用量巨大,所以在选型时,就要尽可能的选择能够提供在线检测的SPD,这对将来降低SPD维护人员的劳动强度、提高工作效率、降低设备维护成本、保障生产的不间断会有很大的帮助;但是对于失效的SPD,我们可以采用离线SPD检测技术对其内部的失效元件进行检测,判断失效元件,然后进一步分析电涌产生的原因,对整个生产控制系统也是有很大帮助的。

参考文献

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作者简介:林世龙(1982—),男,北京人,工程师,现供职于北京中自控创新科技发展有限公司。

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