浪湧保護裝置（SPD）需要在脈衝放電電流下進行測試，主要是波形為8 / 20 ms和10 / 350 ms。 然而，隨著SPD產品的改進，SPD在這種標準測試電流下的性能和承受能力需要更多的研究。 為了研究和比較8 / 20 ms和10 / 350 ms脈衝電流下SPD的耐受能力，對用於I類SPD的三種典型金屬氧化物變阻器（MOV）進行了實驗。 結果表明，在8 / 20ms脈衝電流下，具有較高限制電壓的MOV具有較好的承受能力，而10 / 350ms脈衝電流下的結論則相反。 在10 / 350 ms電流下，MOV故障與單脈衝下每單位體積吸收的能量有關。 裂紋是10 / 350ms電流下的主要損傷形式，可以描述為MOV塑料封裝的一側和電極板剝落。 由電極板和ZnO表面之間的閃絡引起的ZnO材料的燒蝕出現在MOV電極附近。
連接到低壓電力系統，電信和信號網絡的電湧保護裝置（SPD）需要根據IEC和IEEE標準[1-5]的要求進行測試。 考慮到它可能遭受的位置和可能的發光電流，這些SPD需要在脈衝放電電流下進行測試，主要是波形為8 / 20 ms和10 / 350 ms [4-6]。 8 / 20 ms的當前波形通常用於模擬雷電衝擊[6-8]。 SPD的標稱放電電流（In）和最大放電電流（Imax）均由8 / 20 ms脈衝電流[4-5]定義。 此外，8 / 20 ms電流脈衝廣泛用於SPD殘餘電壓和工作負載測試[4]。 10 / 350ms脈衝電流通常用於模擬直接雷擊回擊電流[7-10]。 該波形符合I類SPD測試的脈衝放電電流參數，特別適用於I類SPD [4]的附加負載測試。 在型式試驗[4-5]期間，需要在SPD上施加指定數量的脈衝電流。 例如，對於I類SPD [8]，工作負載測試需要15個20 / 10 ms電流和5個350 / 4 ms脈衝電流。 然而，隨著SPD產品的改進，SPD在這種標準測試電流下的性能和承受能力需要更多的研究。 以前的研究通常集中在多個8 / 20毫秒脈衝電流[11-14]下的MOV性能，而重複的10 / 350毫秒脈衝電流下的性能尚未得到徹底研究。 此外，安裝在建築物和配電系統中高曝光點的I類SPD更容易受到雷擊[15-16]的影響。 因此，需要研究8 / 20 ms和10 / 350 ms脈衝電流下I類SPD的性能和耐受能力。 本文通過實驗研究了8 / 20 ms和10 / 350 ms脈衝電流下I類SPD的耐受能力。 採用三類典型MOV用於I類SPD進行分析。 針對若干實驗調整電流幅度和脈衝數。 對兩種衝擊電流下MOV的承受能力進行了比較。 還分析了測試後失敗的MOV樣品的失效模式。
在實驗中採用了用於I類SPD的三種典型MOV。 對於每種類型的MOV，愛普科斯製造的12樣品在四種實驗中採用。 其基本參數如表I所示，其中In代表MON在8 /20μs脈衝下的標稱放電電流，Imax代表8 /20μs脈衝下的最大放電電流，Iimp代表10 /350μs脈衝下的最大放電電流，UDC1mA代表在1 mA DC電流下測量的MOV電壓Ur表示In下的MOV殘餘電壓。
圖1顯示了可以調節輸出10 / 350 ms和8 / 20 ms電流脈衝的脈衝電流發生器。 採用Pearson線圈測量測試MOV上的脈衝電流。 比率為14.52的分壓器用於測量殘餘電壓。 採用TEK DPO3014數字示波器記錄實驗波形。
根據SPD測試標準[4]，8 / 20 ms電流採用的幅度包括30kA（0.75Imax）和40kA（Imax）。 10 / 350 ms電流採用的幅度包括0.75Iimp和Iimp。 參考MOV [4]的工作負載測試，在MOV採樣上應用15個8 / 20ms脈衝，脈沖之間的間隔為60 s。 因此，實驗過程的流程圖如圖2所示。
實驗程序可以描述為：
（1）初始測量：MOV樣品用UDC1mA，Ur和實驗開始時的照片表徵。
（2）應用十五個脈衝：調整脈衝電流發生器以輸出所需的脈衝電流。 在MOV樣品上依次施加15個間隔為60的脈衝。
（3）記錄每次脈衝施加後MOV電流和電壓的測量波形。
（4）測試後的目視檢查和測量。 檢查MOV表面是否有穿孔或閃絡。 測試後測量UDC1mA和Ur。 測試後拍攝受損MOV的照片。 根據IEC 61643-11 [4]，實驗的通過標準要求電壓和電流記錄以及目視檢查都不應顯示樣品的穿刺或閃絡。 此外，IEEE標準。 C62.62 [5]建議測量後測量Ur（MO中的MOV殘餘電壓）與預測試測量Ur的偏差不應超過10％。 標準。 IEC 60099-4 [17]還要求在脈衝測試後UDC1mA的偏差不應超過5％。
- 8 / 20下的承受能力 ms脈衝電流
在本節中，幅度為8Imax和Imax的20 / 0.75 ms脈衝電流分別應用於SPD樣本。 後測測量UDC1mA和Ur的變化率定義為：
其中，Ucr表示測量值的變化率。 Uat代表測試後測量的值。 Ubt代表測試前測量的值。
3.1 8 / 20毫秒脈衝電流下的結果，峰值為0.75Imax
在表II中示出了具有峰值8Imax（20 kA）的十五個0.75 / 30 ms脈衝電流下的三種類型的MOV的測試結果。 每種類型的MOV的結果是三個相同樣本的平均值。
表二
8 / 20毫秒脈衝電流下的結果，30 kA峰值
從TABLEII可以看出，在MOV上應用了十五個8 / 20毫秒脈沖之後，UDC1mA和Ur的變化很小。 目視檢查的“通過”意味著對測試的MOV沒有明顯的損壞。 而且，可以觀察到，隨著MOV限制電壓的增加，Ucr變小。 例如Ucr是V460型MOV中最小的。 可以得出結論，三種類型的MOV都可以通過具有8 kA峰值的十五個20 / 30 ms脈衝。
3.2 8 / 20毫秒脈衝電流下的結果，峰值為Imax
考慮到上述實驗結果，8 / 20 ms電流的幅度增加到40 kA（Imax）。 此外，對於V460型MOV，脈衝數增加到20。 實驗結果如表III所示。 為了比較三種MOV中的能量吸收，Ea / V用於表示平均十五或二十次脈衝的每單位體積的吸收能量。 這裡考慮“平均值”是因為MOV中的能量吸收在每個脈衝下略有不同。
表III
8 / 20毫秒脈衝電流下的結果，40 kA峰值
從表III可以看出，當電流幅度增加到40 kA時，UDC1mA的Ucr偏離V5和V230的275％，儘管MOV殘餘電壓的變化仍然在10％的有效範圍內。 目視檢查還顯示測試的MOV沒有明顯的損壞。 對於V230和V275型MOV，Ea / V表示每單位體積吸收的能量，平均為15個脈衝。 V460的Ea / V表示每單位體積的吸收能量，平均為20個脈衝。 表III顯示具有較高限制電壓（V460）的MOV具有比具有較低限制電壓（V275和V230）的MOV更大的Ea / V. 此外，在V460上重複施加脈衝電流時，每單位體積吸收的能量（E / V）逐漸增加，如圖3所示。
因此，可以得出結論，V230和V275型MOV不能承受具有Imax峰值的十五個8 / 20ms電流脈衝，而V460型MOV可以承受高達20脈衝的最大放電電流。 這意味著具有更高限制電壓的MOV在8 / 20ms脈衝電流下具有更好的承受能力。
4。 10 / 350毫秒脈衝電流下的耐受能力
在本節中，幅度為10Iimp和Iimp的350 / 0.75 ms脈衝電流分別應用於SPD樣本。
4.1 10 / 350 ms脈衝電流下的結果，峰值為0.75Iimp
由於三種MOV的Iimp不同，幅度為10A的350 / 4875 ms電流施加在V230和V275上，幅度為4500 A的脈衝施加在V460上。 在施加十五個脈衝電流之後，測試的MOV上的UDC1mA和Ur的變化顯示在表IV中。 ΣE/ V表示所施加的脈衝的E / V的總和。
從表IV可以看出，在應用具有10Iimp峰值的十五個350 / 0.75 ms電流後，V230可以通過測試，而V1的UDC275mA的變化偏差超過5％。 V275的塑料封裝上也出現了膨脹和輕微裂紋。 帶有輕微裂縫的V275照片如圖4所示。
對於V460型MOV，在應用10A峰值的第八個350 / 4500 ms脈衝後，MOV破裂，測得的電壓和電流波形異常。 為了比較，在V10上的第七和第八350 / 460毫秒脈衝下測得的電壓和電流波形如圖5所示。
圖5。 在460 / 10毫秒脈衝下測量的V350上的電壓和電流波形
對於V230和V275，ΣE/ V是十五個脈衝的E / V的總和。 對於V460，ΣE/ V是八個脈衝的E / V的總和。 可以觀察到，儘管V460的Ea / V高於V230和V275，但V460的總ΣE/ V最低。 但是，V460經歷了最嚴重的傷害。 這意味著對於MOV的單位體積，10 / 350 ms電流下的MOV故障與總吸收能量（ΣE/ V）無關，但可能與單脈衝下的吸收能量更相關（Ea / V） ）。 可以得出結論，在10 / 350 ms脈衝電流下，V230可以承受比V460型MOV更多的脈衝。 這意味著具有較低限制電壓的MOV在10 / 350 ms電流下具有更好的耐受能力，這與8 / 20 ms脈衝電流下的結論相反。
4.2 10 / 350毫秒脈衝電流下的結果，峰值為Iimp
當10 / 350 ms電流的幅度增加到Iimp時，所有測試的MOV都不能通過十五個脈衝。 在幅度為Iimp的10 / 350 ms脈衝電流下的結果示於表V中，其中“耐受脈衝數”表示MOV在裂縫之前可承受的脈衝量。
從表V可以看出，230 J / cm122.09的Ea / V的V3可以承受8個10 / 350 ms脈衝，而460 J / cm161.09的EX / V的V3只能通過3個脈衝，儘管採用的峰值電流V230（6500 A）高於V460（6000 A）。 這證實了在10 / 350 ms電流下具有高限制電壓的MOV更容易損壞的結論。 這種現象可以解釋為：10 / 350 ms電流攜帶的大量能量將被MOV吸收。 對於在10 / 350 ms電流下具有高限制電壓的MOV，MOV的單位體積中吸收的能量比具有低限制電壓的MOV中的能量大得多，並且過度的能量吸收將導致MOV故障。 但是，8 / 20 ms下的故障機制需要更多的調查。
目視檢查表明，在10 / 350 ms電流下，在三種類型的MOV上觀察到相同的損傷形式。 MOV塑料封裝的一側和矩形電極板剝離。 ZnO材料的燒蝕出現在電極片附近，這是由MOV電極和ZnO表面之間的閃絡引起的。 損壞的V230的照片如圖6所示。
5。 結論
SPD需要在脈衝放電電流下進行測試，主要是波形為8 / 20 ms和10 / 350 ms。 為了研究和比較8 / 20 ms和10 / 350 ms脈衝電流下SPD的耐受能力，進行了幾次實驗，8 / 20 ms（Imax）和10 / 350 ms（Iimp）波形的最大放電電流，以及0.75Imax和0.75Iimp的幅度。 採用三類典型MOV用於I類SPD進行分析。 可以得出一些結論。
（1）具有較高限制電壓的MOV在8 / 20ms脈衝電流下具有更好的耐受能力。 V230和V275型MOV無法承受具有Imax峰值的十五個8 / 20ms脈衝，而V460型MOV可以通過二十個脈衝。
（2）具有較低限制電壓的MOV在10 / 350 ms電流下具有更好的承受能力。 V230型MOV可以承受8個10 / 350毫秒脈衝，具有Iimp峰值，而V460只能通過三個脈衝。
（3）考慮到在10 / 350 ms電流下MOV的單位體積，單脈衝下的吸收能量可能與MOV故障有關，而不是所有施加的脈衝下吸收能量的總和。
（4）在10 / 350 ms電流下，在三種類型的MOV上觀察到相同的損傷形式。 MOV塑料封裝的一側和矩形電極板剝離。 由電極板和ZnO表面之間的閃絡引起的ZnO材料的燒蝕出現在MOV電極附近。