圖1 沖擊電流裝置的主放電回路
Fig. 1 The circuit of impluse current generators
圖中，C為電容器；L為回路總電感，包括間隙電感、接線電感、調波電感、負載電感；R是回路總電阻，包括接線電阻、間隙電阻及調波電阻等；K是放電開關。
表1為產生20kA的8/20μs沖擊電流的的不同回路參數設計情況。
表1 各種8/20μs沖擊電流發生回路參數
Tab1. the parameters of various 8/20μs impulse currentcircuit
|
C/μF |
L/μH |
R/Ω |
U0/kV |
源阻抗RP/Ω |
|
4 8 12 16 20 24 28 32 36 |
18.9 9.45 6.30 4.73 3.78 3.15 2.70 2.36 2.10 |
2.043 1.022 0.681 0.511 0.409 0.341 0.292 0.255 0.227 |
77.640 38.820 25.880 19.410 15.528 12.940 11.091 9.705 8.627 |
3.882 1.941 1.294 0.971 0.777 0.647 0.555 0.485 0.431 |
由表1可知，充電電容C一旦確定，L、R便確定，U0只對放電電流峰值產生影響；電容越大，調波電感、調波電阻越小，輸出相同的沖擊電流時，所需要的電壓就越低。根據以上計算數據擬合出電容C和源阻抗RP的關系曲線如圖2所示。
圖2 電容和源阻抗的關系曲線
Fig. 2the relationship between capacitors and source impedance
由此得出，電容和源阻抗呈非線性的反比例函數關系，即充電電容減小直接導致源阻抗增大，反之亦然。下面通過建立MOV模型，仿真分析電容（C）、源阻抗（RP）、通流（Itf）和殘壓（Vres）之間的變化規律。
研究過程中反復強調不同源阻抗的沖擊電流回路以及相同預期短路電流，其主要原因在于：
（1）不同回路參數回路的源阻抗不同、試品動態阻抗不同，如果在相同預期短路電流下，通過MOV的電流必然不同，如果對其進行補償使其滿足“流過SPD具有相同8/20μs電流波形峰值”，每次的補償值也必然不同，不同的試品、不同的回路不能用
同一個補償系數來補償。
（2）在相同預期短路電流下，所有試品都擁有相同的測試條件，流過MOV的電流、殘壓均為研究變量，可以研究相同預期短路電流下不同源阻抗的沖擊電流回路對試品的影響。
8/20μs沖擊電流發生回路對測試影響（二）
——源阻抗對試品殘壓的變化規律
以預期短路電流為定量，研究MOV的殘壓、通流、動態內阻的變化規律，具體方案如下：
（1）源阻抗。0.431Ω～3.882Ω共9種仿真回路；
（2）縱向比較。研究不同源阻抗沖擊電流發生回路在不同預期短路電流下，相同試品B32K385的殘壓、通流變化規律。預期短路電流分別為10kA、20kA和30kA。
（3）橫向比較。研究不同源阻抗沖擊電流發生回路在相同預期短路電流下，不同試品（B32K385、B40K385、B60K385，其U1mA：620V）的殘壓、通流變化規律。標稱通流能力分別為10kA、20kA、35kA；
1.不同預期短路電流下相同試品殘壓的變化規律
以B32K385為例，仿真得出的10kA、20kA和30kA沖擊電流下殘壓的變化曲線如圖4。
圖4 B32K385不同沖擊電流下的殘壓曲線
Fig. 4 the residual voltage of MOV
從上圖可以看出：
（1）沖擊幅值不同，但三條殘壓曲線幾乎平行，各條殘壓曲線上對應點的切線斜率幾乎處處相等；
（2）沖擊電流源阻抗不同，得到的沖擊殘壓也不一樣，但在不同幅值的沖擊下，各條曲線沖擊殘壓差相差不大。10kA、20kA和30kA沖擊電流下，不同源阻抗得到的沖擊殘壓差分別為117.3V、114.7V和120.9V。
（3）以上分析可以引申到計量中，用不同內阻的設備，測試同一個型號的產品時，無論沖擊幅值多大，都可以用一個△U來校準測量值。
2.相同預期短路電流下不同試品殘壓的變化規律
以B32K385、B40K385、B60K385為試品，仿真得到的預期短路電流為30kA時，試品的沖擊殘壓變化曲線如圖5。
為比較同一預期短路電流下不同試品沖擊殘壓的差別，將圖5(a)中的數據進行處理，具體如下：以B40K385沖擊殘壓線為基準，使其它曲線的第一個殘壓點與B40K385的重合，得到圖5(b)。
（a）原始殘壓數據圖
(a) the original residual voltage
（b）經平移處理后的數據圖
(b) the figure after translation handled
圖5 30kA下不同試品的殘壓曲線
Fig. 5 the residual voltage curves of different EUTunder 30kA
從上圖得到以下結論：
（1）從圖5(b)中的發散趨勢可以看出，在同一沖擊電流幅值下不同通流能力的試品其沖擊殘壓差異不同。因此計量設備時，不能用不同通流容量的試品來對比兩種設備。
（2）對于通流容量小的試品，在同一幅值的沖擊下不同源阻抗的沖擊電流源，當RP<1Ω時，沖擊殘壓隨源阻抗增加呈現急劇增加；當4Ω>RP>1Ω時，沖擊殘壓變化趨于平緩。通流容量大的試品也呈現上述規律，但在整個區間內最大壓差相對不大（△U max=45V）。
（3）在計量設備時，小通流的MOV“電壓敏感性”較大，適用小通流的試品來反映其最大誤差，從上圖中可見，B32K385在30kA下B32K385的變化曲線，沖擊殘壓差達到120.9V。
8/20μs沖擊電流發生回路對測試影響（三）
——源阻抗對試品動態阻抗和通流的變化規律
1.MOV動態阻抗的變化規律
以B32K385為例，分析在10kA～30kA時其動態阻抗的變化規律。
圖6 B32K385動態阻抗隨沖擊電流和源阻抗變化曲線
Fig. 6 the B32K385’s dynamic impedance varies with impluse currentand source impedances
從上圖分析可得：
（1）MOV在不同源阻抗的沖擊電流回路中所呈現的動態阻抗均隨沖擊電流增大而減小，這也充分的體現了MOV的非線性特性。
（2）在同一預期短路電流下，Rd隨RP增大而減小，在RP<1的區間內，這種變化幅度較明顯。
（3）沖擊電流越小，試品動態阻抗越大，因此如果在發生器最小的沖擊電流下流經非線性試品的沖擊電流仍符合IEC 61643-1對沖擊電流波的要求，那么此時試品的動態阻抗即可認為是該發生器的最大帶負載能力[15,16]。
2.通流變化分析
從大量仿真數據上分析可以看出通流的變化規律和殘壓的規律相近，但求同存異，仍還有以下幾點需要進一步說明。
（1）通流和沖擊殘壓的變化趨勢相近，變化率相近，因此以上均只分析殘壓與源阻抗等之間的關系。
圖7為預期短路電流30kA下試品B32K385仿真得到的沖擊殘壓、通流變化規律。
圖7 B32K385在30kA下殘壓、通流變化關系曲線
Fig. 7 the residual and impulse current of MOV under30kA
（2）在相同試品和預期短路電流下，隨著源阻抗的變化，通過MOV的電流卻發生了變化，因而導致沖擊殘壓的變化，源阻抗對沖擊殘壓有很大影響。因此可以將試品阻抗值預先計算在回路內來調波，這樣能有效提高設備的帶負載能力。
三期結論：
從分析8/20μs沖擊發生回路入手，分析其參數間的關系，利用大規模的仿真計算，分析沖擊電流源阻抗、MOV殘壓之間的關系，再結合實際測試，驗證仿真結論。由此得到些結論如下：
（1）脈沖電容和源阻抗呈現非線性的反比例關系，電容越大源阻抗越小，反之亦然。
（2）同一預期短路電流下，沖擊電流回路的源阻抗越低，所需充電電壓越小，測試同一的試品時，沖擊殘壓隨源阻抗增大而增大。
（3）不同預期短路電流下，不同源阻抗沖擊電流回路測試同一試品時，沖擊殘壓差基本保持一致，因此在計量中，用不同源阻抗的沖擊電流回路測試同一個試品時，無論沖擊電流幅值多大，都可以用一個△U來校準測量值。
（4）不同預期短路電流下，不同源阻抗沖擊電流回路測試不同試品時，通流容量越小的試品其表現出來的電壓敏感性越大，大通流的試品在大電流沖擊下受源阻抗的影響較小，因此在設備計量時宜選用小通流容量的MOV來測試對比不同發生系統的性能。沖擊電流越小，試品動態阻抗越大，在工程計算設備帶負載能力時，適用其最小沖擊電流來測試試品。
8/20μs沖擊電流發生回路對測試影響（四）
——MOV老化特性的實驗研究
利用三臺經過計量的具有不同源阻抗的8/20μs脈沖發生器對同一廠家、同一批次、同一型號的MOV型浪涌保護器進行大規模測試，分析發生器設備對MOV的劣化程度的影響。試驗方案確定如下。
（1）合理抽取測試樣本。從同一廠家、同一批次、同一型號的100只產品中隨機抽取三只用來測試。
（2）使用Haefelypsurge 30.2，源阻抗0.432Ω；ICGS測試系統，源阻抗0.799Ω；利用XJTU 8/20兼容10/350測試系統源阻抗0.52Ω作為驗證。
（3）試品參數：U1mA: 680V，In: 20kA，Imax: 40kA，UC: 420V，Size: 34*34。
（4）測試方法：三臺設備分別對三個樣品進行90次沖擊；調整充電電壓使得流過浪涌保護器的電流峰值為20kA±0.5kA；每沖擊一次冷卻至室溫后記錄U1mA；測試前、測試50次時和最后一次沖擊后測量MOV的相對介電常數、介質損耗角正切值tanδ；兩次沖擊時間間隔大于90s（需要拆下測量各種靜態參數）。
1.U1mA變化規律
將測試得到的數據得到的變化趨勢如下圖所示：
(a) ICGS系統下U1mA變化規律
(a) the regular of U1mA under ICGS testing system
(b) Haefely系統下U1mA變化規律
(b) the regular of U1mA under Haefely testingsystem
圖1 兩種源阻抗設備下U1mA變化趨勢
Fig.1 the U1mA trandlines ofthe two generators
分析U1mA可以得到如下結論：
（1）由于MOV的電容效應，試驗結果U1mA隨著測試次數的增加，均呈現在前幾次內快速上升，并保持穩定變化，當測試達到一定次數后快速下降的趨勢。沖擊電流經過時，高頻有一部分是經過電容的，形成電容電流，并且通過電容的電流的速度比晶界擊穿的速度快。晶界之間的距離是固定的，晶粒的損壞方式不同，決定了壓敏電壓變化趨勢不同。
晶粒的損壞形式主要有兩種：粉碎性損壞和熔穿性損壞。粉碎性損壞使晶粒之間距離變大，壓敏電壓向高變化；熔穿性損壞使晶粒之間距離變小，壓敏電壓向低變化；在初始沖擊階段，晶粒以粉碎性損壞為主，壓敏電壓向高變化；隨著損壞數量的增多積累，局部阻性增大，損壞的形式開始轉向熔穿，壓敏電壓轉向低變化[9-10]。
（2）當沖擊超過一定次數后，U1mA穩步下降，如表1所示。
表1 U1mA劣化程度與測試次數關系
Tab.1 the relationship between degradation degree of U1mA and testing numbers
|
設備 |
源阻抗 /Ω |
初始U1mA /V |
下降至5%的次數 |
下降至10%的次數 |
|
Haef XJTU ICGS |
0.43 0.52 0.79 |
677 697 681 |
79 68 40 |
90 83 52 |
在一定次數的沖擊中，壓敏電壓保持穩定，這是由MOV的耐沖擊能力決定的，當沖擊超過一定次數后，晶粒出現粉碎性破壞，單位厚度內有效晶粒數減少，使得U1mA降低。ICGS沖擊到22次左右，Haefely沖擊到56次左右U1mA出現“拐點”，即不能保持穩定而開始穩步下降，這說明MOV已經老化到劣化的邊緣了。ICGS沖擊到40次左右，Haefely沖擊到70次左右U1mA的下降速度加快，此時根據U1mA即可判定MOV完全失效。
（3）設備源阻抗越大對MOV的老化考驗越嚴酷。從圖中可以清楚的看出，源阻抗為0.799Ω的ICGS測試系統相對0.432Ωhaefelypsurge30.2對MOV的老化考驗更嚴酷，前者U1mA在第22次就開始下降，后者U1mA保持到56次才開始緩慢下降；從表中可以看出，隨著源阻抗的增加U1mA下降的速度明顯變快，直至超出10%。阻抗0.432Ω設備下，90次沖擊后U1mA下降18.94%；阻抗0.799Ω設備下，U1mA下降9.3%，源阻抗越大，使通過MOV具有相同峰值的電流時，MOV老化速度越快。
2.沖擊前后介電特性的變化
以其中ICGS測試的試品沖擊前后，MOV老化過程中，其介電特性的變化規律，圖2和圖3為沖擊電流幅值為20kA，沖擊次數分別為50次和90次的相對介電常數εr和介質損耗tanδ變化的對比。
圖2 沖擊電流幅值為20kAεr值變化
Fig. 2 theεr varies under 20kA implusecurrent
圖3 沖擊電流幅值為20kAtanδ值變化
Fig. 3 the tanδ variesunder 20kA impluse current
圖2、3的對比中可以看出
（1）沖擊作用前，非線性電阻片的相對介電常數εr與介質損耗tanδ隨頻率變化的曲線出現：εr隨著頻率的升高而減小，tanδ在105Hz附近出現了“彌散區”；在同一頻率處，沖擊后介質損耗tanδ值要大于受沖擊前的值，隨著沖擊次數的增加，tanδ的曲線中“彌散區”有逐漸消失的趨勢。
（2）沖擊后，相對介電常數εr隨頻率變化的曲線發生了漂移，并且在同一頻率處，對應的相對介電常數εr值要大于沖擊前的值；隨著沖擊次數的增加，ZnO非線性電阻片介電特性表現為介電常數和介質損耗角正切值增加的幅度加大。
對介電參數的變化可以這樣解釋為：
（1）沖擊作用后，電阻片發生老化，部分晶界遭到破壞，使得不同的晶粒界面結合在一起，從而使得晶粒界面面積增大，進而使得晶粒的體電阻減小，因此在施加相同電壓的情況下，漏電流增大，電導損耗增大。由于非線性電阻片內部存在多個不同松弛時間的松弛機構，這些松弛時間相差不很大的多個松弛運動產生的松弛極化構成了非線性電阻片松弛極化損耗。隨著沖擊次數增加，電阻片的電導損耗增大，其程度遠超過了極化損耗，而電導損耗隨頻率的變化，是不存在“彌散區”的，因此，隨著沖擊次數增加，tanδ曲線中的“彌散區”逐漸消失，且隨著沖擊次數增加損耗值越大。
（2）沖擊作用后，部分晶界遭到破壞，等效串并聯網絡中的電容數量減小；而破壞后的晶粒間的界面面積增大，使得晶粒界面間電容的增大，這兩種結果都將導致電容的增大，因此相對介電常數的增大，且沖擊次數和沖擊電流幅值的增加，晶界破壞程度越大，老化程度越嚴重，相對介電常數的增大也就越明顯。
本文轉載自： 孫涌的優測實驗室
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