[分享]对电涌保护器标准的分析

发表于2016-05-05    2074人浏览    6人跟帖    总热度:715  

标签: 电涌保护器

  1IEC/TC37/SC37A及其出版物


  IEC/TC37/SC37A是国际电工委员会第37委员会A分委员会的英文缩写。在37委员会中有A和B两个分委员会。SC37A负责起草和出版低压电涌保护器(Low-VoltageSurgeProtectivedevicesSPD)的标准,其产品适用于低压(交流有效值1000V及以下)。SC37B负责起草和出版避雷器(Lightningarrester)的标准,避雷器适用于高压输配电线路。在我国,无论在技术标准还是论文中经常将二者混淆。有些电力系统的老专家常用避雷器标准衡量SPD,批评在低压配电系统中选用SPD的冲击电流值过大[1],还有位美国人也参加到这种讨论之中[2]。笔者认为高压不同于低压。为防止高压系统的事故,高压电器设备的绝缘水平远远高于低压设备的绝缘水平,即设备本身耐过电压(包括故障引起的时间较长的暂时过电压和雷电引起的时间较短的瞬态过电压)能力很强,一般小雷电对其不易造成破坏,而低压电器设备,特别是高集成电路的微电子设备则由于绝缘水平低,很容易遭受雷电流破坏。因此,IEC/TC37将之分别规定是非常科学的。2002年10月SC37A公布如下决议“为避免IEC60099-1与IEC61643-1之间的部分重叠,要求TC37采取适当的行动,阐明IEC60099系列出版物不适用于低压1000V应用的SPD和过电压抑制元件”。其中IEC60099标准是避雷器的标准。

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  在SPD中译名上,我国也很混乱,如用避雷器、防雷器、低压避雷器、电子避雷器、防雷保安器、浪涌保护器等等。《建筑物防雷设计规范》GB50057-94版中使用的是过电压保护器(GB16895.22-2004中也使用同一词),但在2000年局部修订过程中,将其正名为电涌保护器。该标准主要起草人林维勇先生指出,SPD中的Surge可译为巨浪、波涛、浪涌等含水浪特性的中文,也可译为电流急冲、冲击、突波、脉冲、电涌等电特性的中文。在电路中出现的surge带有过电压和过电流的特性,因此选择了此中文,并定义为“用于限制瞬态过电压和分泄电涌电流的器件”。IEC61643系列中文标准GB18802中也均用电涌保护器。目前GB50343中用“浪涌保护器”,GB50689中用“防雷器”都不准确。特别是SPD并非专用来防雷,同时也用于暂时过电压的防护,因此不能只讲一个方面。美国UL1449标准中用TransientVoltageSurgeSuppressors(TVSS)可直译为“瞬态电涌电压抑制器”,与SPD有很多相似之处。IEC/TC37/SC37A近年关于SPD出版物如表1所示。


  2IEC61643-11主要修订内容


  表1中的IEC61643-11起草于1990年,出版为1998年,之后于2005年和2011年两次修订。因该标准内容很多,本文只对2011年(新版)和1998、2005年版(旧版)的修订内容集中分析。

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  2.1分类和适用性


  (1)按试验方法分类

  新旧版中均指出,低压配电系统(电气系统)中的SPD可按不同的测试电流、电压分为I、II、III类,2005年起用使用T1、T2和T3来表述。在新版“引言”部分指出:I类试验用模拟闪电电涌,推荐用于高暴露位置,如建筑物入口处(LPZ0、LPZ1区交界);II和III类使用持续时间短的电流(如8/20μs)试验,一般不适用于高暴露位置。


  (2)除按试验类型分类外,还有多种分类方法。新版中增加了如下内容:

  ——多级SPD:也可称多相或多种保护模式的SPD,指生产厂在一个盒子里装配了多于一种保护模式,如L1-PE、L2-PE、L3-PE、N-PE等多种保护模式的SPD箱。此时,生产厂在箱体上可注明ITotal(总放电电流值)即多种保护模式放电电流值之和。笔者提醒用户特别注意,该值与SPD应用标准中要求的每一保护模式放电电流,如Iimp或In不一样,往往扩大了4倍,而应用标准中只要求Iimp或In值,决不能用ITotal值去应对的Iimp或In值,生产厂家也不应利用此值去迷惑用户。

  ——“短路型SPD:II类试验的SPD,当实际通过的电涌电流大于其标称放电电流In时,SPD内部呈短路状态”。SPD的故障(失效)模式可分为开路和短路两种状态。II类试验的SPD多用压敏电阻(MOV),属短路型,因而大多需内部或外部安装过电流保护。因此,分类中不存在“不进行过电流保护”的类型。

  ——供电频率在47Hz~63Hz之外的专用SPD.新版的“使用条件”将原适用于48Hz~62Hz扩大为47Hz-63Hz,同时在分类中增加了此项。

  ——SPD适用环境的拓展。旧版对SPD适用湿度规定为相对湿度30%~90%,新版改为5%~95%,并指出可扩展到100%.因此,对SPD的绝缘性能要求更高了。


  2.2术语和优选值


  (1)术语

  我国国家标准中,术语和定义是并列的,说明这部分的内容不仅有解释同时具有规定的内容。新版中有新增的术语,也有些对原术语内容的修订,主要有:

  ——电压保护水平Up的修订。原定义为“表征SPD限制接线端子间电压的性能参数,其值可以从优选值的列表中选择”,新版改为“由于施加规定梯度的冲击电压和规定幅值及波形的冲击电流而在SPD两端之间预期出现的最大电压”。强调了试验方法而不是从优选值中选择的方法。

  ——暂时过电压试验值UT.旧版中使用“暂时过电压特性”,没有明确这是一个规定的值。同时新版对旧版中“规定持续时间”改为“施加在SPD上持续时间较长(tT时间另有规定)的试验电压值,用于模拟在暂时过电压(TOV)条件下的应力”这一时间可长达5s.

  ——额定短路电流Isccr.旧版中定义为“耐受(withstana)短路电流”,用语不够严谨。而新版则明确为“用于给指定脱离器连接的SPD评级的低压配电系统的最大预期短路电流值”,突出了有“脱离器”。

  除上述三项外,对SPD测试过程中使用的电流、电压等术语较旧版也有增改。对其中最大放电电流Imax,笔者需说明:Imax是进行破坏性试验中使用的一个电流,一般为标称放电电流In的2倍。目前国内有些生产厂在介绍产品时将Imax标在产品本体或说明书中,有夸大产品放电电流值之嫌。


  (2)优选值

  在试验中,每一参数、每一产品均可能测出一个具体值,如10.1,10.3、10.5…。为利于提供一种对各品牌SPD之间相对较统一的标准,利于用户与生产厂之间沟通,需将上述各值归到10.0这个值上。此值称“优选值”,该值系列组成,不能太密,也不能太疏,关键在于实用。新版对旧版的各优选值增改如下(从使用角度选如下各项):

  ——Iimp:新增了12.5kA和25kA两档,与应用标准协调一致;

  ——比能量(W/R)是新增的,有0.25、1.0、6.25、25、39、100、156KJ/Ω;

  ——Uc(最大持续运行电压)增加了45、335、350、385、400、1500、1800和2000V档。原250V改为255V,630V改为635V.说明SPD适用的电源范围较前更广了。


  2.3性能要求


  对SPD的技术要求,新旧版中均分为6部分,但相对于旧版有增改。现按新版中的6部分说明如下。


  (1)标识和标志

  旧版中要求标识出23项内容,新版增至35项,因此不能用26个英文字母列项了。为此,新版改为必须标在SPD本体上8项,随SPD给用户的产品介绍纸质文件上14项,为测试提供的8项和做型式试验时需提供的5项。

  (2)电气性能要求

  旧版中原有13项,现改为8大项,12小项。其中将原“电气连接”要求转至“机械性能要求”中,将原“耐漏电起痕”要求转至“环境要求”中,把原“安全要求”节删除,其中防直接接触、热保护、绝缘电阻、残流、UTov等内容移入本节内。新增加的有:

  ——明确了当SPD的Uc高于50Va.c.r.m.s时,产品应符合防直接接触的试验要求,防止对人造成电击伤害;

  ——明确了除在TN和TT系统的N-PE间之外的各种保护模式中,均应有内部/外部或两者均有的脱离器;

  ——明确了除SPD内部仅有开关元件和雪崩二极管(ABB)外,所有SPD均应通过热崩溃试验,防止发生火灾;

  ——明确指出除在TN和TT系统的N-PE间之外的各种保护模式中,SPD均应通过对短路电流Isccr的试验;

  ——新版中对UTov的试验更加细化和严格,特别指出在低压配电系统中(TN、TT、IT)和不同安装位置(如TT系统中SPD与RCD的前后位置)的试验要求等。

  ,(3)机械性能要求

  除将原在“电气性能要求”中的“电气连接、电气间隙、爬电距离”等转入外,尚对新出现的连接方法,如快速连接端子增加了相应要求。


  (4)环境要求

  旧版中要求内容很少,新版中具体规定了IP代码、耐能、阻燃、耐漏电起痕和电磁兼容(EMC)要求。特别是EMC的规定。

  众所周知,EMC问题近十几年来日益为国际社会关注。但我们一直认为SPD是无源的,因此不存在EMC的问题。可是随着新技术进入SPD,如加上遥信,无线电控制后,可能就有EMC问题。新版规定:SPD在应用过程中不产生大于9kHz基波时,无需进行EMC试验,否则应按IEC61000系列标准(idt为GB17626系列)试验。


  (5)特殊SPD的附加要求

  旧版中专对“二端口和输入/输出分开的一端口SPD”提出电压降、额定负载电流IL,负载侧的电涌耐受能力和过载性能提出要求。新版则增加了下列内容:

  ——户外用SPD应有耐紫外线辐射和侵蚀能力试验;

  ——具有分开隔离电路的SPD,需在不同电路之间进行绝缘电阻和介电强度的试验;

  ——对短路型SPD的额定转换电涌电流Itans试验;


  (6)SPD生产厂可能提出的测试要求

  有可能对多极SPD进行ITotal的测试,二端口SPD的电压降、负载侧电涌耐受水平和电压上升率du/dt的测试内容。


  2.4测试方法


  因性能要求的增改,测试方法也相应修订。总的看法是:更严密、更细致、更安全和更具操作性。具体内容说明如下:


  (1)重申“黑盒子”测试原则及型式试验规则

  新版将“黑盒子”原则提到“引言”之中,表示对这一原则的高度重视。规定:所有SPD试验时应将其视为“黑盒子”,不应有所拆卸。如SPD带有电线(缆)时,线(缆)也是试验样本。多年前,铁道部对SPD进行招标,标书中要求SPD的设计拓扑必须是一个开关元件串一个限压元件。此事引起了许多SPD生产厂和笔者的非议,笔者认为选择SPD时应提出几项重要参数,如测试类型(I、II或III),放电电流值(Iimp或In),电压保护水平(Up)和最大持续运行电压(Uc)就够了。

  关于型式试验,新版定义3.1.30中“对一种新设计开发的SPD的典型性能试验,用以验证其符合相关标准”,指的是全面测试,因此“该试验完成后一般不再重复试验”。而我国的几个测试室给出的测试报告均注明1~2年的有效期,与IEC规定大相径庭。


  (2)I、II、III类试验

  鉴于I类实验的SPD主要安装在高暴露位置,是电涌保护的第一道关口。因此新版有了较多的修订,突出了Iimp值的规定和增加了W/R比能量的规定。新版严格规定了对I类试验的冲击电流Iimp的幅值Ipeak应在50μs内达到,Q的转移应在10μs内完成,W/R应在10μs内释放。特别指明:10/350μs波形是符合上述要求的可能方法之一。

  在测试用的1.2/50冲击电压和8/20冲击电流的要求上,与IEC60060(GB/T17627.1)靠拢,如冲击电流的波头时间T1由原规定的10%上升到90%的时间改为1.67×(t90-t30)。冲击电流改为1.25×(t90-t10)。因此,要求则更细更严格。

  对I类实验中Iimp采用10/350μs波形的讨论,在我国自1996年笔者编译了IEC61312,引入10/350波形以来,一直有高压系统(含电力、铁道部门)的非议,在文献[3]中笔者有相关解释。该文中称“IEEESPD委员会特别工作组(工作组3.6.4)的调查结果质疑了这个概念,唯一实际能满足I类测试参数的脉冲只有10/350的测试波形”,[2]并称文献发表于2006年。这与笔者掌握的情况有所不符。在IEEEC62.36-2000中的表3和表6中均列出了10/350.2002年,IEEE公布的三个标准,C62.41.1、C62.41.2和C62.45中均有“由一些制造商所进行的有限试验和非正式报告指出,由10/350μs波形试验加于MOVSPD的应力可等效采用8/20μs试验,比例系数是10倍,见表6”。2006年5月,IEC/TC81/277A文件提及与IEEE.C.36工作组协调后,IEEE称,这个10倍是不够的。而且IEC也没有说10/350波形是“唯一实际能满足”的,只讲是“可能的方法之一”。在文献[3]中雷电探测中的极性、上行和下行和一次闪击中的次数等,但文中标题中的10/350仅用一句“这并不是说8/20波形比10/350波形更代表雷击”就敢否认10/350这一经“21年时间,有16个国家参与了试验和观测,20个国家参与制定”的IEC标准[4]。是否太过武断?笔者认为:所有试验室规定的测试波形均是人为规定的,包括10/350、8/20、5/300、10/1000、10/25等等,此处IEC61643-11只是提出Ipeak、Q和W/R三项指标,并介绍说10/350是可能实现以上三指标的方法之一。至于雷电波的统计数据则是IEC/TC81中给出的首次正极性闪击10/350和首次负极性闪击1/200的问题了,在此不赘述。


  (3)TOV试验

  本文开始介绍了不同于雷电的暂时过电压。暂时的单位是ms至s,瞬态的单位是μs,因此TOV试验与雷电流试验有很大区别。新版中大量增加了TOV试验的内容,并按TOV来源分为因低压系统故障引起的和高(中)压故障引起的两类试验,特别是高(中)压试验的电路、时序内容。

  笔者认为,在低压配电系统中的线路和电气设备因暂时过电压损坏的概率可能远远多于因雷击造成的瞬态过电压损坏,只不过因各种原因无人统计或追责而已。某省防雷技术服务机构为电梯的配电盘安装了SPD,结果打雷时没有反应(可能是未出现S1-S4的雷击),但是造成频频跳闸,至使电梯无法正常工作。笔者与之分析后认为,这是由于低压系统的负荷频频巨变,即产生了俗称的操作过电压(投切过电压),至使SPD动作,而流过的电流是工频(50Hz),至使配电柜内空开跳闸。因此,笔者认为IEC61643-11中“低压系统故障”用语不准确,应为“人为的投切过电压”。

  除上述三个方面的内容外,新版中增加了模拟SPD失效的试验内容,笔者认为相当重要。因为SPD失效时呈短路状态时,轻则会造成电气设备运行中断,重则会引发火灾。另外,新版中用表3“适用与SPD的型式试验要求”,表4“型式试验的通用合格判别标准”,表5“合格判别标准和型式试验的交叉参照”使整个标准更具备实用性、可操作性。

  因该标准的英文比较长,由上海市防雷中心节译的中文稿[5]也长达65页,因而笔者只能择主要修改情况介绍。


  3我国SPD标准现状及试验监管等问题


  3.1我国SPD标准现状

  除表1所列已等同(idt)采用国际标准的国家标准外,尚有如下SPD(不包括避雷器)的行业标准。

  笔者对上述行标进行了研究,认为除了1号外多引用了IEC61643-1:1998的内容,但其中有许多内容与IEC标准存在矛盾之处。有些标准起草人称本行业有特殊性,不能完全照搬IEC标准。这些话听起来很有道理,但笔者想问:你哪个行业低压电不是220/380V,50Hz吗?与IEC有何区别?大多数电子系统不外乎分为模拟系统(300kHz以下)和数字系统,(MHz级及以上)并没有什么特殊,除了不愿舍弃自己多年研究成果的成见外,恐怕只有行业垄断和商业利益了。

  按《中华人民共和国标准法》第六条的规定“对需要在全国范围内统一的技术要求,应当制定国家标准。对没有国家标准而又需要在全国某个行业范围内统一的技术要求,可以判定行业标准。在公布国家标准之后,该项行业标准即行废止”。笔者认为上述行标均可废止。

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  3.2关于试验与监管的建议

  在我国因各行业标准的差异,也因此建设了不同行业的SPD试验室并规定了SPD进入各行业的门槛。为此,SPD生产厂需将产品送到不同的试验室进行有效期为1~2年的检验,造成了极大的浪费。

  2015年3月,在中国质量协会防雷电分会年会上,莱茵检测认证服务(中国)有限公司赵新华发言介绍了国际通用的SPD认证制度,特别是全球50多个国字认可的IECEE(国际电工安全认证体系)的作法。笔者理解是:统一标准(IEC)、分别测试和全球认可。

  IECEE在中国具体的实施应符合CQC11-462111-2011《电涌保护器(SPD)安全认证实施规则》,由中国质量认证中心负责管理。其认证模式为:产品型式试验+初次工厂检查+获证后监督。鉴于《中华人民共和国气象法》中第三十一条“安装的雷电灾害防护装置应当符合国务院气象主管机构规定的使用要求”的规定,中国气象局防雷主管部门与中国质量认证中心就CQC认证已签合作意向书,并委托上海市防雷中心防雷产品测试中心组织实施。

  笔者认为应:

  (1)统一SPD标准为GB18802系列(IEC61643)。

  (2)试验室要经过认证。

  (3)所有SPD应做型式试验,如已在国外IECEE认证的,应提供试验报告,可不再重复试验。型式试验对每一产品终身只做一次试验,试验报告没有有效期的限制。

  (4)在CQC认证中对生产厂进行初次检查。

  (5)SPD在市场的流通监管由各地防雷主管部门执行抽检,抽查的所有费用应同于国家质量监督部门的方法,由政府经费支付。


  3.3其它

  IEC61643系列标准中将SPD分为两大类:

  第一,连接到低压配电系统的SPD;

  第二,连接到电信和信号网络的SPD.

  但对一些行业,即非上述两类情况则不适用。如铁道电力牵引系统(多为25kV),风电系统和太阳能光伏发电系统等。因此,欧盟正在起草了下列标准,这是我国应积极引进的。

  ①光伏(PV)系统SPD产品和应用标准:CLCprEN50539-11/12;

  ②风电系统SPD产品和应用标准:CLCTSEN50539-21/22;

  ③铁道牵引系统用SPD:EN50526-1/22012.

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