信息技術(shù)系統(tǒng)電涌保護(hù)器檢測技術(shù)研究

【摘要】本文首先介紹了信息技術(shù)系統(tǒng)電涌保護(hù)器需要定期檢測的重要性，然后從電涌保護(hù)器的發(fā)展歷程分析了其內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)，通過對其內(nèi)部電涌保護(hù)元件的伏安特性及失效特征的研究，分析了離線檢測技術(shù)和在線檢測技術(shù)的檢測原理及優(yōu)缺點(diǎn)，最后得出電涌保護(hù)器的檢測需要將離線檢測技術(shù)和在線檢測技術(shù)相結(jié)合的結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】電涌保護(hù)器；SPD；檢測技術(shù)；離線檢測；在線檢測

1.引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今社會已經(jīng)進(jìn)入到信息化時(shí)代，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及促使各種微電子設(shè)備和大規(guī)模集成電路在信息技術(shù)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。眾所周知，信息技術(shù)系統(tǒng)是在弱電環(huán)境下工作的，因此，信息技術(shù)系統(tǒng)對于外界的干擾非常敏感。電涌是瞬間出現(xiàn)超出穩(wěn)定值的峰值，是電路中出現(xiàn)的一種短暫的電流或電壓波動，在電路中通常持續(xù)約百萬分之一秒，是影響信息技術(shù)系統(tǒng)信號品質(zhì)的最主要的外界干擾，其造成的災(zāi)害程度和范圍日益廣泛。

在信息技術(shù)系統(tǒng)中，為保證設(shè)備安全和信號品質(zhì)，提高電子設(shè)備抗擊電涌電磁脈沖干擾能力，按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求加裝了各種類型的電涌保護(hù)器（SPD），但由于運(yùn)行中的SPD長期處于工作電壓及電涌發(fā)生時(shí)沖擊電流作用下，因此在使用過程中會出現(xiàn)劣化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致SPD保護(hù)性能下降，甚至損壞，無法對信息技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，甚至?xí)绊懴到y(tǒng)的正常運(yùn)行，因此需要對SPD進(jìn)行檢測，以確保其運(yùn)行可靠，發(fā)揮其電涌保護(hù)作用。

2.電涌保護(hù)器使用壽命及檢測周期

在對SPD進(jìn)行檢測前，SPD的使用壽命是多長？在使用壽命內(nèi)的檢測周期是怎樣的呢？這些信息是與SPD的檢測息息相關(guān)的。

根據(jù)GB 18802.12-2006《低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器（SPD）第12部分選擇和使用導(dǎo)則》3.33條注2，規(guī)定：SPD預(yù)期使用壽命由SPD替代方式、使用場合和可行性、可接受的失效率及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來確定。第5.5.24條，規(guī)定：SPD失效模式取決于電涌電流和電壓的幅值，數(shù)量和波形、電力系統(tǒng)的短路能力和失效時(shí)SPD上施加電壓的值。

從國家標(biāo)準(zhǔn)中我們可以看出，簡單的提SPD的使用壽命是不科學(xué)的，SPD的使用壽命是由其所在系統(tǒng)工作環(huán)境的電源和信號質(zhì)量、所在系統(tǒng)的電涌防護(hù)安全重要程度、在運(yùn)行期內(nèi)所承受電涌的數(shù)量和大小等因素決定的，因此SPD更加需要進(jìn)行定期檢測，以判斷其是否在壽命范圍內(nèi)，是否能夠滿足電涌保護(hù)的需要。

中國氣象局第20號令《防雷減災(zāi)管理辦法》第四章第十九條規(guī)定“投入使用后的防雷裝置實(shí)行定期檢測制度。防雷裝置應(yīng)當(dāng)每年檢測一次，對爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境場所的防雷裝置應(yīng)當(dāng)每半年檢測一次”。雷電是電涌的一種表現(xiàn)形式，SPD屬于防雷裝置的一種，因此其檢測周期需要按該要求進(jìn)行。

3.電涌保護(hù)器發(fā)展歷程

根據(jù)SPD內(nèi)部組成元件的不同以及電子電路技術(shù)的發(fā)展，SPD經(jīng)歷了由單一非線性元件的SPD，到復(fù)合型SPD，再到多級SPD的發(fā)展歷程。單一非線性元件的SPD，是指包含一個非線性元件的SPD，又可細(xì)分為電壓開關(guān)型SPD、電壓限制型SPD。電壓開關(guān)型SPD，是指沒有電涌時(shí)具有高阻抗，當(dāng)對電涌電壓響應(yīng)時(shí)能突變成低阻抗的SPD，其常用的元件有放電間隙、氣體放電管等。電壓限制型SPD，是指沒有電涌時(shí)具有高阻抗，但是隨著電涌電流和電壓的上升，其阻抗將持續(xù)地減小的SPD，其常用的非線性元件是壓敏電阻和瞬態(tài)抑制二極管。

復(fù)合型SPD，是指包含兩個非線性元件的SPD，由電壓開關(guān)型元件和電壓限制型元件組成的SPD，其特性隨所加電壓的特性可以表現(xiàn)為電壓開關(guān)型、電壓限制型或兩者皆有。

多級SPD，是多種非線性元件集成在一起，形成不同能量等級保護(hù)的SPD。

4.離線SPD檢測技術(shù)

從SPD的結(jié)構(gòu)我們可以看出，不論是哪一發(fā)展階段的SPD，其對信息技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)備安全和信號品質(zhì)提供抗電磁脈沖干擾作用的關(guān)鍵是其內(nèi)部的非線性元件，通過這些元件的特性將電涌電壓限制到某一個電壓值下，將大的電涌電流泄放到大地中，從而對信息技術(shù)系統(tǒng)提供保護(hù)。離線SPD檢測技術(shù)的工作原理是通過檢測SPD內(nèi)部非線性元件的技術(shù)參數(shù)來判斷SPD的正常與失效。

SPD內(nèi)部的非線性元件為壓敏電阻、氣體放電管和瞬態(tài)抑制二極管。

壓敏電阻是一種限壓型保護(hù)器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對后級電路的保護(hù)。圖1是壓敏電阻的伏-安特性曲線，電涌保護(hù)時(shí)工作在限壓區(qū)，當(dāng)壓敏電阻出現(xiàn)老化或失效時(shí)，其參考電壓（U1mA）和泄漏電流會發(fā)生變化。

氣體放電管是一種開關(guān)型保護(hù)器件，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在氣體放電管的兩極間，達(dá)到其啟動電壓時(shí)，氣體放電管會迅速對地短路，將大電流泄放到大地中去，其兩極間的電壓因?qū)Φ囟搪范档胶蠖嗽O(shè)備電壓耐受能力之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對后端設(shè)備的保護(hù)。圖2是氣體放電管的伏-安特性曲線，電涌保護(hù)時(shí)工作在AB段和DE段。當(dāng)氣體放電管失效時(shí)，其直流放電電壓會發(fā)生變化，因此直流放電電壓是判斷氣體放電管正?；蚴У囊粋€重要參數(shù)。

瞬態(tài)抑制二極管，簡稱TVS，是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件。當(dāng)TVS管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10的負(fù)12次方秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_(dá)數(shù)千瓦的電涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。圖3是瞬態(tài)抑制二極管的伏安特性曲線，電涌保護(hù)時(shí)工作在反向擊穿區(qū)，反向擊穿電壓是判斷其正常與失效的一個重要參數(shù)。

離線SPD檢測技術(shù)是利用電涌保護(hù)器檢測儀模擬電涌的產(chǎn)生，通過產(chǎn)生直流高壓，加在SPD內(nèi)部電涌保護(hù)器器件（壓敏電阻、氣體放電管、TVS管）的兩端，使其導(dǎo)通，在導(dǎo)通瞬間測量其靜態(tài)參數(shù)（壓敏電阻的參考電壓和泄漏電流、氣體放電管的直流放電電壓、TVS管的反向擊穿電壓），然后通過判斷測量值是否在其標(biāo)稱值允許范圍內(nèi)來判斷SPD的正常與失效，如圖4所示。

從離線SPD檢測技術(shù)中，我們不難看到，要對SPD離線進(jìn)行檢測，SPD必須為其內(nèi)部的每一個電涌保護(hù)器件預(yù)留出測試端。從上文中我們知道，為了追求卓越的電涌保護(hù)性能，SPD正往多級SPD的方向發(fā)展，也就是說SPD內(nèi)部集成的非線性元器件越來越多，所以SPD的設(shè)計(jì)者們不可能為SPD中的每一個元器件都預(yù)留出兩個測試端，這是限制電涌保護(hù)器離線檢測的最主要原因。

另一方面，SPD離線檢測技術(shù)需要對SPD施加高壓，因此SPD不能在工作狀態(tài)下進(jìn)行檢測，只能是在離線狀態(tài)下進(jìn)行，即SPD要從信息技術(shù)系統(tǒng)工作線路中拆卸下來，這不僅增加了SPD維護(hù)人員的工作量、降低了工作效率、提高了維護(hù)成本，而且中斷了信息技術(shù)系統(tǒng)的正常工作、干擾了正常的工作秩序。這是限制SPD離線檢測技術(shù)發(fā)展的另一重要原因。

5.在線SPD檢測技術(shù)

鑒于離線SPD檢測技術(shù)存在的局限性，在線SPD檢測技術(shù)的發(fā)展就成為必然。我們知道SPD的作用是用于限制瞬態(tài)過電壓和泄放電涌電流的，因SPD內(nèi)部的電涌保護(hù)器件是電子元器件，有其固有的壽命，所以SPD不可能無限次的限制瞬態(tài)過電壓和泄放電涌電流，那么SPD失效的根本原因就是其在進(jìn)行電涌保護(hù)的過程中可能承受了數(shù)量過多或者能量過大的電涌電流的沖擊，這些電涌電流的沖擊使SPD可能因吸收大量的能量造成自身的熱過載，或者因泄放大容量的電涌電流導(dǎo)致自身的電氣過載，但是不論何種形式的過載，直接表現(xiàn)就是SPD內(nèi)部的電涌保護(hù)器件會發(fā)熱。如果我們在SPD內(nèi)部電涌保護(hù)器件上增加熱敏感裝置，當(dāng)SPD因過載失效時(shí)，熱敏感裝置就會發(fā)生變化，從而傳遞出SPD失效的信息。在線SPD檢測技術(shù)就是利用這個原理來實(shí)現(xiàn)對SPD檢測的。

壓敏電阻型SPD，如圖5所示，當(dāng)其內(nèi)部的壓敏電阻（MOV）發(fā)生過載老化或者失效后，在其正常的工作環(huán)境下漏電流會逐漸增大，導(dǎo)致MOV發(fā)熱，熱量會傳導(dǎo)至其熱脫扣裝置K1K2，K1K2受熱升溫，達(dá)到一定的溫度時(shí)發(fā)生脫扣，連接在K1K2上的狀態(tài)顯示器就會發(fā)生狀態(tài)改變（由綠色變?yōu)榧t色），用戶現(xiàn)場就能夠知道SPD已經(jīng)發(fā)生老化或者失效，通過遙信告警開關(guān)可以把SPD的狀態(tài)信息傳輸給不在現(xiàn)場的用戶。機(jī)械脫扣和溫?cái)喙苊摽凼菬崦摽垩b置常用的脫扣方式，機(jī)械脫扣一般由低溫焊錫配合機(jī)械彈簧或彈簧片組成，通過使用具有熱熔斷性能的材料或元件來檢測溫度并熔斷；溫?cái)喙苊摽鄯绞剑?dāng)其內(nèi)部溫度達(dá)到脫扣溫度時(shí)，溫?cái)喙軆?nèi)部電路就會熔斷。機(jī)械脫扣和溫?cái)喙苊摽塾玫降臒崃慷际峭ㄟ^MOV的金屬引腳或者通過與MOV元件表面接觸以及空氣散熱等方式傳遞給熱脫扣裝置的，這種方式熱量傳導(dǎo)相對較慢，因此脫扣動作需要的熱積累時(shí)間比較長，因此決定了只有壓敏電阻型的SPD才可以用這種方式檢測其處于正常還是失效狀態(tài)。

氣體放電管型和瞬態(tài)抑制二極管型的SPD，其失效狀態(tài)是開路或短路，不會造成熱量積累，因此通過熱脫扣裝置實(shí)現(xiàn)其狀態(tài)檢測是行不通的，但是他們的失效也確實(shí)是由電氣過載或者熱過載引起的，那么通過什么辦法實(shí)現(xiàn)其狀態(tài)檢測呢？通過反復(fù)試驗(yàn)，在SPD內(nèi)部的氣體放電管和瞬態(tài)抑制二極管表面上貼有對溫度更加敏感的溫感標(biāo)簽，這些溫感標(biāo)簽相互之間構(gòu)成一個電回路（圖6中THERMAL FUSE構(gòu)成的回路），當(dāng)氣體放電管和瞬態(tài)抑制二極管在進(jìn)行電涌保護(hù)時(shí)，泄放的總電涌能量超過其能力時(shí)，產(chǎn)生的熱量就會使溫感標(biāo)簽融化消失，電回路就會中斷。也就是說電回路的通斷，反映出了電涌保護(hù)器的狀態(tài)。這種檢測技術(shù)在進(jìn)行SPD檢測時(shí)，需要提供能量來測試溫感標(biāo)簽組成的回路的通斷狀態(tài)，這個可以通過射頻技術(shù)提供能量或者直接接入外接電源來實(shí)現(xiàn)。

在線SPD檢測技術(shù)，通過檢測SPD的電氣過載和熱過載來判斷SPD的狀態(tài)，不需要拆卸SPD，降低了設(shè)備維護(hù)人員的工作強(qiáng)度、提高了工作效率、減少了維護(hù)成本；不需要切斷信號技術(shù)系統(tǒng)線路，保障了正常的生產(chǎn)秩序、滿足了不間斷生產(chǎn)的需要；能對日益廣泛的多級SPD進(jìn)行檢測，符合SPD可持續(xù)發(fā)展的要求。但是在線SPD檢測技術(shù)也存在缺陷，就是對進(jìn)一步分析判斷SPD內(nèi)部哪一個元器件失效則是無能為力的。

6.結(jié)語

從上文描述中，我們知道離線SPD檢測技術(shù)和在線SPD檢測技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，要注意揚(yáng)長避短，結(jié)合這兩種檢測技術(shù)的優(yōu)勢特點(diǎn)對SPD進(jìn)行維護(hù)。例如，對于不間斷生產(chǎn)的控制系統(tǒng)，因SPD的使用量巨大，所以在選型時(shí)，就要盡可能的選擇能夠提供在線檢測的SPD，這對將來降低SPD維護(hù)人員的勞動強(qiáng)度、提高工作效率、降低設(shè)備維護(hù)成本、保障生產(chǎn)的不間斷會有很大的幫助；但是對于失效的SPD，我們可以采用離線SPD檢測技術(shù)對其內(nèi)部的失效元件進(jìn)行檢測，判斷失效元件，然后進(jìn)一步分析電涌產(chǎn)生的原因，對整個生產(chǎn)控制系統(tǒng)也是有很大幫助的。

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作者簡介：林世龍（1982—），男，北京人，工程師，現(xiàn)供職于北京中自控創(chuàng)新科技發(fā)展有限公司。