天津市武清区气象局防雷中心主任 贺玲
中国科学院高级工程师 全宇辰
随着国民经济的高速发展，微电子技术的广泛应用，设备对电涌的耐受能力相对降低，氧化锌压敏电阻类电压限制型低压配电电涌保护器（以下简称氧化锌电源SPD）被广泛用于邮电通讯、电力、铁道、机场、石化、工民建等各个行业领域。随着氧化锌电源SPD的大量使用，由SPD引发火灾事故的现象日渐凸显起来，统计数据显示，我国每年氧化锌电源SPD引发的火灾事故高达上千起，给国家和企业造成了巨大的经济损失。
国内外及行业标准中要求氧化锌电源SPD安装后备过流保护装置，目的是当氧化锌电源SPD出现起火短路故障时，保护装置能够迅速切断电路，避免保护开关出现越级脱扣，造成电源系统大面积断电。另外一个作用是防止电源系统出现电压异常升高导致氧化锌电源SPD流入工频电流起火。
但是，从目前SPD着火的事故现场发现，所有的断路设备（各种断路器、熔断器）均在氧化锌电源SPD起火时无法断开，因为氧化锌电源SPD起始电流较小（时间较短）而根本达不到断路装置的断路工作电流（焦耳能量），从而导致氧化锌电源SPD起火，烧毁配电柜、设备（图1、图2），甚至引发严重的火灾事故。目前，在防雷工程中安装的所谓“断路保护装置”，也即断路器和熔断器，在SPD失效起火瞬间，断路装置能否实现快速分断避免SPD起火？！笔者认为这个问题已经严重的影响了防雷工作的后续发展。为此开始了这方面的研究和简单测试，尽管某些测试数据并不十分准确，但所达到的基本效果希望能够引起业内的注意。下面就某些测试及数据向大家汇报、讨论，并求得大家的批评指正。
1 问题的提出：
1.1 引发SPD火灾的四类故障
SPD火灾通常由四种常见的电路故障引发，SPD后备保护装置应在这些故障发生时，及时断路，以达到过流保护、避免火灾事故的发生的目的。
1）单相接地过电压起火故障：
国内供电系统最常见的，当供电系统中的某一相对地短路时，其他两相的对地电压（220VAC）即上升为线电压（380VAC）。这将导致Uc（SPD最大持续工作电压）选值偏低的共模氧化锌电源SPD在较短时间内失效导致起火。发生这类故障时，SPD串接的断路装置应能切断起火故障。
2）高低压共地耦合转移过电压起火故障：
对于低压电源系统来说，常见的电源系统故障之一是供电系统最末一级10kV/0.38kV变压器内部发生高压接地故障。在小接地电阻的供电系统中，由于上一级变压器—大地上一级变压器的小电阻接地装置—输电线路形成很大的故障电流。这个故障电流在流过最末一级变压器的接地线时，会因为接地电阻的存在引起变压器外壳电位的大幅度升高。由于低压电源系统的各相线电压都是以外壳电位为基准的，因此导致整个三相电源系统对地电位大幅度升高，故障会引起连接在低压电源系统中的所有设备的相线与地线之间的电压大幅度增加，而相线对零线之间的电压仍然保持正常。连接在电压电源系统相线和地线之间的电涌保护器也会受到严重的影响。配电变压器和低压侧共用一地，当高压侧通过PE的故障接地时，会出现一个幅值很高的过电压，通过共用地耦合转移到低压系统，使得低压供电系统出现幅值很高的转移过电压，此种过电压幅值很高且持续时间长，数秒内在氧化锌电源SPD的热脱离机构尚未动作前就已将SPD热击穿失效，易造成起弧、起火等。发生这类故障时，SPD串接的断路装置应能断开切断起火故障。
3）失零过电压起火故障：
低压供电系统的中性线由于各种原因断线后，即产生失零过电压。此时相电压输出变为线电压输出，各种电压皆由不同的负载分布决定。此种情况下的过电压有时达700V或更高，如此即使采用差模连接氧化锌电源SPD也将在数秒内被直接穿击，热脱扣装置来不及动作，易造成起弧、起火等。发生这类故障时，SPD串接的断路装置应能断开切断起火故障。
4）雷击续流起火故障：
雷击发生时，雷击能量使得氧化锌电源SPD损坏，造成SPD对地（或者N线）短路，此时线路负载电流（长时间）通过SPD，SPD热脱离机构来不及动作，易造成起弧、起火等。发生这类故障时，SPD串接的断路装置应能切断起火故障。
1.2实际运行出现的问题
由于标准中并未明确指定和规范与SPD串联的断路装置技术类别及参数，所以在执行标准时，就出现了明显的“偏差和误解”。在笔者应邀在某省的税务系统下属县、市的数十计算机机房进行防雷装置的检查工作时，发现部分机房的电涌保护器上串联的微型断路器都已因雷电而分断，在出现雷击事故的几个机房中虽然安装了电涌保护器，但电涌保护器上串联的微型断路器都已经断开。我们卸下电涌保护器模块进行测试，发现模块参数都没有本质变化，将微型断路器闭合，与SPD接通，发现电涌保护器仍旧可以使用。这就意味着微型断路器参数与电涌保护器参数根本就不匹配，使得雷击造成微型断路器动作分断，电涌保护器与被保护负载电力线脱离，当后续雷击发生时，则用户负载损坏。这就严重的背离了标准的精神和初衷。为此，笔者选择了目前备用作SPD后备过流保护装置的一系列微型断路器作为样本，对微型断路器的特性进行了研究。
2 微型断路器测试
2.1微型断路器8/20μs脉冲分断能力测试
目的：依据标准，使用8/20μs模拟雷击发生器，对微型断路器进行冲击，考核微型断路器耐冲击能力。
1）试品来源：市场采购
a）品牌1：浙江正泰电器股份有限公司生产4个代表型号
b）品牌2：施耐德电气[天津]有限公司生产3个代表型号
c）品牌3：LS-乐星产电（无锡）有限公司3个代表型号
2）冲击参数：
a）品牌1：浙江正泰电器股份有限公司（数量：各20台）
冲击电流8/20 μs/产品型号 DZ47-60
D15（D型15A） DZ47-60
D32（D型32A） DZ158-100
63（D型63A） DZ158-100
100（D型100A）
正、反各5次
每次间隔5分钟 正、反各5次
每次间隔5分钟 正、反各5次
每次间隔5分钟 正、反各5次
每次间隔5分钟
10kA 未分断 未分断 未分断 未分断
15kA 断开 未分断 未分断 未分断
20kA 断开 未分断 未分断
40kA 断开 未分断
45kA 断开
b）品牌2：施耐德电气[天津]有限公司[数量：各20台]
产品型号
冲击电流8/20μs C65N
C32（C型32A） C65N
C63（C型63A） NC100H
D100（D型100A）
正、反各5次
每次间隔5分钟 正、反各5次
每次间隔5分钟 正、反各5次
每次间隔5分钟
10kA 未分断 未分断 未分断
15kA 未分断 未分断 未分断
20kA 未分断 未分断 未分断
25kA 断开 未分断 未分断
35kA 断开 未分断
45kA 断开
c）品牌3：LS----乐星产电（无锡）有限公司[数量：各20台]
产品型号/冲击电流8/20μs BKN
D32（D型32A） BKN
D63（D型63A） BKN
D100（D型100A）
正、反各5次
每次间隔5分钟 正、反各5次
每次间隔5分钟 正、反各5次
每次间隔5分钟
10kA 未分断 未分断 未分断
15kA 未分断 未分断 未分断
20kA 未分断 未分断 未分断
25kA 未分断 未分断 未分断
30kA 断开 未分断 未分断
35kA 未分断 未分断
40kA 断开 未分断
50kA 断开
上述冲击试验数据表明，随着冲击电流的增加，微型断路器从“未分断逐渐到分断”，也即当冲击电流增加到一定程度时，断路器将分断，整个过程未发现微型断路器损坏。
2.2残余电压测试
目的：测试微型断路器在最大未分断电流下两端的残余电压（或称电压降）。
a）品牌1：浙江正泰电器股份有限公司（数量：各20台）
产品型号/冲击电流8/20μs DZ47-60
D15（D型15A） DZ47-60
D32（D型32A） DZ158-100
63（D型63A） DZ158-100
100（D型100A）
正、反各1次 正、反各1次 正、反各1次正、反各1次
10kA 99V
15kA 137V
35kA 182V
40kA 289V
b）品牌2：施耐德电气（天津）有限公司（数量：各20台）
产品型号/冲击电流8/20μs C65N
C32（C型32A） C65N
C63（C型63A） NC100H
D100（D型100A）
正、反各1次 正、反各5次 正、反各1次
20kA 112V
30kA 171V
40kA 254V
c）品牌3：LS----乐星产电（无锡）有限公司3个代表型号
产品型号/
冲击电流8/20μs
BKN
D32（D型32A） BKN
D63（D型63A） BKN
D100（D型100A）
正、反各1次 正、反各1次 正、反各1次
25kA 121V
35kA 193V
45kA 234V
上述测试表明，微型断路器在最大未分断电流下存在残余电压（或称电压降）。
2.3工频电流分断测试
目的：测试微型断路器设定时间下的分断能力
a）品牌1：浙江正泰电器股份有限公司（数量：各20台）
产品型号/
50Hz 、255VAC下 DZ47-60
D15（D型15A） DZ47-60
D32（D型32A） DZ158-100
63（D型63A） DZ158-100
100（D型100A）
小于等于：5秒、15A 未分断 ------ ------ ------
小于等于：1小时、20A 分断 ------ ------ ------
小于等于：5秒、32A ------ 未分断 ------ ------
小于等于：1小时、42A ------ 分断 ------ ------
小于等于：5秒、63A ------ ------ 未分断 ------
小于等于：1小时、82A ------ ------ 分断 ------
小于等于：5秒、100A ------ ------ ------ 未分断
小于等于：1小时、130A ------ ------ ------ 分断
B）品牌2：施耐德电气（天津）有限公司（数量：各20台）
产品型号/
50Hz 、255VAC下 C65N
C32（C型32A） C65N
C63(C型63A) NC100H
D100(D型100A)
小于等于：5秒、32A 未分断 ------ ------
小于等于：1小时、42A 分断 ------ ------
小于等于：5秒、63A ------ 未分断 ------
小于等于：1小时、82A ------ 分断 ------
小于等于：5秒、100A ------ ------ 未分断
小于等于：1小时、130A ------ ------ 分断
C）品牌3：LS----乐星产电（无锡）有限公司3个代表型号
50Hz 、255VAC下
/产品型号 BKN
D32(D型32A) BKN
D63(D型63A) BKN
D100(D型100A)
小于等于：5秒、32A 未分断 ------ ------
小于等于：1小时、42A 分断 ------ ------
小于等于：5秒、63A ------ 未分断 ------
小于等于：1小时、82A ------ 分断 ------
小于等于：5秒、100A ------ ------ 未分断
小于等于：1小时、130A ------ ------ 分断
上述测试，依据IEC61643-11标准定义，在5秒钟内SPD就可以起火燃烧。1小时分断参数为额定分断电流的1.3倍
3熔断器模拟雷击测试：
3.1熔断器脉冲分断能力测试
目的：依据标准，使用8/20μs模拟雷击发生器，电流从小到大对熔断器进行冲击，考核熔断器耐冲击能力。
1）试品来源：市场采购
a）品牌1：浙江茗熔集团公司[原茗东熔断器厂]制造的4个代表型号
b）品牌2：美国Bussmann公司制造的4个专用型号
2）冲击参数：
a）浙江茗溶集团模拟冲击技术数据：
产品型号/
冲击电流8/20μs RT16-00
GL32A RT16-00
GL63A RT16-00
GL125A
正、反各5次
每次间隔5分钟 正、反各5次
每次间隔5分钟 正、反各5次
每次间隔5分钟
15kA 未分断 未分断 未分断
20kA 断开 未分断 未分断
25kA 断开 未分断
100kA 断开
b）美国Bussmann公司模拟冲击技术数据：
产品型号/冲击电流 Bussmann32A Bussmann63A Bussmann125A
正、反各5次
每次间隔5分钟 正、反各5次
每次间隔5分钟 正、反各5次
每次间隔5分钟
20kA 未分断 未分断 未分断
25kA 断开 未分断 未分断
45kA 断开 未分断
100kA 断开
上述测试说明，熔断器可以耐受较大的雷电流冲，断开将不可以恢复（即发生本质性变化）。
3.2残余电压测试
目的：测试串联安装后，熔断器上增加的残余电压
技术数据：
a)浙江茗溶集团模拟冲击残余电压数据：
冲击电流/产品型号 RT16-00 GL32A RT16-00
GL63A RT16-00 GL125A
正、反各1次 正、反各1次 正、反各1次
8/20μs 15kA 56V
8/20μs 20kA 99V
8/20μs 40kA 191V
b）美国Bussmann公司模拟冲击残余电压数据：
冲击电流/产品型号 Bussmann32A Bussmann63A Bussmann125A
正、反各1次 正、反各1次 正、反各1次
8/20μs 20kA 61V
8/20μs 35kA 107V
8/20μs 40kA 178V
由于熔断器内部熔断金属的内部电感、电阻的存在，在一定电流冲击下，两端同样出现残余电压（或称电压降）。
3.3工频电流分断测试
目的：对微型断路器实施设定时间下的分断能力测试。
技术数据：
a)浙江茗溶集团模50Hz 、255VAC下分断数据：
产品型号/
50Hz 、255VAC下 RT16-00 GL32A RT16-00
GL63A RT16-00 GL125A
小于等于：5秒、32A 未分断 ------ ------
小于等于：1小时、42A 分断 ------ ------
小于等于：5秒、63A ------ 未分断 ------
小于等于：1小时、82A ------ 分断 ------
小于等于：5秒、125A ------ ------ 未分断
小于等于：1小时、163A ------ ------ 分断
b）美国Bussmann公司模拟冲击残余电压数据：
50Hz 、255VAC下
/产品型号 Bussmann32A Bussmann63A Bussmann125A
小于等于：5秒、32A 未分断 ------ ------
小于等于：1小时、42A 分断 ------ ------
小于等于：5秒、63A ------ 未分断 ------
小于等于：1小时、82A ------ 分断 ------
小于等于：5秒、125A ------ ------ 未分断
小于等于：1小时、163A ------ ------ 分断
4 试验结果分析
4.1微型断路器脉冲分断能力、残余电压测试
产品型号/参数数据 8/20μs 波形下最大未分断电流 8/20μs下最大未分断电流时残余电压 8/20μs 波形下最大分断电流
DZ47-60 D15[D型15A] 10kA 99V 15kA
DZ47-60 D32[D型32A] 15kA 137V 20kA
DZ158-100 63[D型63A] 35kA 182V 40kA
DZ158-100 100[D型100A] 40kA 289V 45kA
C65N C32[C型32A] 20kA 112V 25kA
C65N C63[C型63A] 30kA 171V 35kA
NC100H D100[D型100A] 40kA 254V 45kA
BKN D32[D型32A] 25kA 121V 30kA
BKN D63[D型63A] 35kA 193V 40kA
BKN D100[D型100A] 45kA 234V 50kA
4.2熔断器脉冲分断能力、残余电压测试
产品型号/参数数据 8/20μs 波形下最大未分断电流 8/20μs 下最大未分断电流时残余电压 8/20μs 波形下最大分断电流
RT16-00 GL32A 20kA 56V 25kA
RT16-00 GL63A 40kA 99V 45kA
RT16-00 GL125A 45kA 191V 50kA
Bussmann32A 20kA 61V 25kA
Bussmann63A 40kA 107V 45kA
Bussmann125A 45kA 178V 50kA
4.3工频分断能力：
浙江正泰电器股份有限公司
产品型号/
50Hz 、255VAC下 DZ47-60
D15（D型15A） DZ47-60
D32(D型32A) DZ158-100
63(D型63A) DZ158-100
100(D型100A)
小于等于：5秒、15A 未分断 ------ ------ ------
小于等于：1小时、20A 分断 ------ ------ ------
小于等于：5秒、32A ------ 未分断 ------ ------
小于等于：1小时、42A ------ 分断 ------ ------
小于等于：5秒、63A ------ ------ 未分断 ------
小于等于：1小时、82A ------ ------ 分断 ------
小于等于：5秒、100A ------ ------ ------ 未分断
小于等于：1小时、130A ------ ------ ------ 分断
施耐德电气[天津]有限公司
产品型号/
50Hz 、255VAC下 C65N
C32（32A） C65N
C63（63A） NC100H
D100（100A）
小于等于：5秒、32A 未分断 ------ ------
小于等于：1小时、42A 分断 ------ ------
小于等于：5秒、63A ------ 未分断 ------
小于等于：1小时、82A ------ 分断 ------
小于等于：5秒、100A ------ ------ 未分断
小于等于：1小时、130A ------ ------ 分断
LS----乐星产电（无锡）有限公司
产品型号/
50Hz 、255VAC下 BKN
D32（32A） BKN
D63（63A） BKN
D100（100A）
小于等于：5秒、32A 未分断 ------ ------
小于等于：1小时、42A 分断 ------ ------
小于等于：5秒、63A ------ 未分断 ------
小于等于：1小时、82A ------ 分断 ------
小于等于：5秒、100A ------ ------ 未分断
小于等于：1小时、130A ------ ------ 分断
5结束语
1)氧化锌电源SPD串接的断路装置（熔断器、断路器），首先要考核短路装置能否承受对应的SPD参数，即Imax电流冲击耐受值。
2)氧化锌电源SPD串接的断路装置（熔断器、断路器），首先要考核短路装置在SPD的Imax电流冲击时（自身接触电阻寄存）的残余电压值。
3)氧化锌电源SPD串接的断路装置（熔断器、断路器），在满足上述两个条件的同时，还要满足SPD一旦雷击损坏在被保护负载额定工频电流下，5秒钟内实现分断以保证减少SPD火灾事故。目前IEC61643-11-2011标准要求最低负载额定工频电流为100A。但目前低压配电电涌保护器串接的断路装置（熔断器、断路器）基本不可能在5秒钟实现分断。
4)国家及各大行业SPD产品测试机构，在许多安装了断路装置（熔断器、断路器）电源防雷箱（氧化锌电源SPD模块组合设备）实施型式试验时，将断路装置（熔断器、断路器）实施短路后再进行测试，出具的测试报告宣称“只对防雷箱内SPD模块是否合格”负责。这说明断路装置（熔断器、断路器）无法承受测试条件及参数。
5)串接的断路装置（熔断器、断路器），如果在氧化锌电源SPD故障时引起的火灾时无法实现快速分断，而雷击发生时又可能无法承受雷击电流的冲击而断开，那么断路装置（熔断器、断路器）实际就成了一个名副其实的维修开关及（实现雷击保护下的）故障点。
氧化锌电源SPD本身是抵御雷电破坏的一个安全防范产品，其本身一旦发生故障起火，则又成为一个巨大的火灾事故隐患。每年千万只氧化锌电源SPD安装在各行各业的不同场所（包括：许多易燃易爆场所、人群集中活动、生活、工作场所及与国民经济有重要意义的场所），如果不采用技术与管理措施，彻底杜绝SPD起火隐患，将给这些场所带来巨大的安全威胁！
