浅析大通流量SPD产品的技术测试

张朝阳-上海盎特电气有限公司

摘 要：本文详细记录了一种大通流量SPD产品的研发过程，通过理论分析及不断地实践展示了这类产品的研发突破思路和改进办法，希望能够对SPD生产厂家类似产品的研发有一定的借鉴意义。

关键词：SPD、技术测试、负载试验、热稳定试验

0、引言

SPD产品的关键测试内容包括热稳定试验、负载试验、短路实验等。热稳定试验和负载试验同为样品正常安装情况下的随机抽样测试，负载试验则要求样品在冲击内容完成过程中，始终保持机械结构不脱扣，而热稳定试验则要求产品在达到一定热稳定后脱扣而且规定时间内产品内部降温到一定温度范围。在某种程度上来说，负载试验和热稳定试验是一对跷跷板，合格的产品必须同时满足两个试验，需要在两个试验中找到一个平衡点。

1、概述

负载试验是实验室按厂家标准进行加电冲击试验，它考验的是这个产品承受厂家所要求的雷击电磁脉冲的In值（kA）及Imax(Iimp)值（kA）冲击的能力。通俗来说，热稳定试验就是考验厂家提供测试样品的热脱扣机制是否满足国标要求。本文以上海盎特电气有限公司SPD产品AMT160+（型式试验报告编号：L20150534，检测单位：上海市防雷中心防雷产品测试中心，参数：Uc:385Vac,In:100kA,Imax:200kA,Up:2.7kV)为例，分析探讨了In:100kA,Imax:200kA这个通流容量SPD的负载试验和热稳定试验问题。

负载试验是检验SPD厂家防雷元件通流能力的重要手段。防雷元件主要为压敏电阻(MOV)和陶瓷气体放电管(GDT)；相对于陶瓷放电管来说，压敏电阻的持续运行电压（Uc）可调节性更强，方便与具有机械脱扣结构的五金配件连接，从而使SPD具备了状态可视功能。那么我们也按常理，选择压敏电阻结构的SPD进行研究。

国内市面上的SPD，以OBO结构、DEHN结构、CITEL结构三种结构最为普遍。这三种结构中，以CITEL36mm结构的开发潜力最为强大。而且国内绝大多数厂家的大通流SPD均使用了CITEL36结构，就可以佐证它的功能强大。

SPD产品研发成败的几个关键因素与试验项目的对照表如下表所示。

SPD产品研发成败的关键因素

注明：①只有在第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三项同时满足试验要求时，负载试验才通过；

②如果第Ⅳ项满足试验方法要求，那么热稳定试验通过；

③只有在负载试验和热稳定试验同时通过时，该产品负载试验和热稳定试验才算通过；

④如果负载试验和热稳定试验任意一项不通过，那么这两项试验就要重新测试，直至这两项试验同时测试通过。

2、试验探讨

2.1、8/20μS波形SPD使用的主要放电元器件为压敏电阻

每个双芯34S621KDS的压敏电阻的通流量一般在标称In:40kA，最大Imax:80kA，每个双芯压敏电阻的厚度约为10.5mm，一个36mm的塑壳可以装入3个双芯片。理论上，三路并联的SPD可以通过In:120kA,Imax:240kA的通流量，其实针对做出In:100kA,Imax:200kA的产品，通流量方面的余量真的不是很宽裕，所以三路为一组的压敏电阻的特性配合方面就显得格外重要。SPD用压敏电阻的主要特性有三个，分别是直流击穿电压Un、非线性系数α、漏电流I_L，其中Un是协调并联压敏电阻同时启动的关键参数。然后按照6个芯片的Un测试值控制在5V以内的这个思路，批量测试压敏电阻，完成筛选配对。这样具有相近启动电压的压敏电阻就找到了。

2.2、SPD整个电气通道包括两位接线柱、一位接线柱、压敏电阻三个部分

其中一位组件电气连接部分为紫铜件，最窄部分为厚度1.3mm,宽度5.6mm，通流截面积为S1=1.3*5.6=7.28mm²；二位组件中常规弹片为三个铍青铜薄片，通流截面积为S2=3*(0.3*5)=4.5mm²;三组压敏电阻的最差通流截面积为S3=3*(0.4*8)=9.6mm²。很明显S3>S1>S2。而且一位组件电气连接部分和压敏电阻电极片均为紫铜成分，二位组件中弹片为铍青铜成分。根据主要金属电阻率表可以看出：紫铜的电阻率小于铍青铜的电阻率。再加上铍青铜弹片的截面积为整个电气连接通道的最薄弱环节。根于以往产品测试经验，厚度为0.3mm、宽度为5mm的铍青铜的通流能力约为50kA(8/20μS)。通流理论值为150kA(8/20μS)，无法通过200kA(8/20μS)的能量。那么增加通流量的方法有两种，分别是通过弹片加宽和通过弹片加厚来增加截面积而是弹片的通流量达到200kA(8/20μS)的要求。当然弹片的厚度和宽度的增加一定会弹片的弹力加强，而且越厚或者越宽，弹力增加的越大。弹片弹力的增加带来的联动问题就是原先的低温焊锡会在SPD内部温度更低的时候脱扣。这样有可能是负载试验无法正常完成。所以我们只能在满足通流能力的同时，尽可能的做微调，以免对负载试验造成多大的影响。因此我们在此是通过保持弹片宽度不变，增加弹片厚度至0.5mm的方法来改善弹片的通流能力。理论值为可以通过240kA(8/20μS)的能量，略大于200kA(8/20μS)。

2.3、负载试验与热稳定试验之间的平衡

压敏电阻选好了，电气通道也得到了加强，那么要想完成负载试验就只缺一个环节，就是在负载冲击过程中，弹片不能由于低温焊锡在冲击升温过程中融化而弹起来（从外观上面观察，就是指示窗显示红色）。

首先可用140°C焊接1.0线径的在每个低温焊接点焊锡6cm长焊锡做负载试验。试验的结论是在第二组In:100kA冲击时候，指示窗翻红。这个试验显示的信息是这样的结构设计，使用140℃焊锡在负载试验不到1/2过程就脱扣了。显然通过增加焊锡量的多少也很难完成整个负载冲击试验。那么唯一可行的就是使用熔点更好的焊锡。但是究竟是150℃、160℃、170℃、180℃。哪个温度可以满足负载冲击不脱扣呢？从试验的角度，我们不能从145℃、150℃、155℃、160℃这样逐级更换不同的焊锡进行试验。首先要找到可以满足在负载冲击试验中不脱扣的焊锡；再次先经过理论判断后，选择试用了183℃焊锡。试验的结论是负载试验顺利通过，但是热稳定试验无法完成。其实我们在进入下一个热稳定试验论述前，我们已经可以预判一个结论：负载试验和热稳定试验的完美焊锡温度就在140℃~183℃之间。

2.4、低温焊锡熔点温度的确定

从理论上来说，低温焊锡熔点温度越低，焊接点使用焊锡量越少，弹片弹力越大，热稳定试验越容易通过；而使用低温焊锡进行负载试验却刚刚相反：低温焊锡熔点温度越高，焊接点使用焊锡量越大，弹片弹力越弱，负载试验越容易完成。所以在SPD关键性试验中，热稳定试验和负载试验就是一对跷跷板，只有找到了合适熔点温度的焊锡并使用适量的焊锡，才能同时满足负载试验和热稳定试验，那么这个关键技术点就完成了突破。剩下的工作就是不断的试验并做出下一步试验的判断。

首先使用熔点183℃线径1mm的焊锡丝2cm做低温焊接点的焊接，试验的结论仍然负载试验通过，热稳定试验不通过。那么很明显183℃熔点的熔点温度过高，不能简单的通过减少焊锡的用量来有效的通过热稳定试验。在这个过程中，科学的方法当然能使我们尽快的找到这个平衡点。

接下来可以通过调整焊锡丝熔点和焊锡量找能通过。这样一来，In:100kA,Imax:200kA能量的SPD产品的热稳定和负载试验就全部完成。当然一个SPD产品的检测内容不仅仅是这两项试验，只有把短路试验、介电强度试验、标识标志试验等其他测试科目全部完成才算通过型式试验。

3、结语

本文论述了SPD测试样品负载试验和热稳定试验的几个关键要素，还有其他一些因素：例如产品安装完毕后，塑壳内空间变小对负载试验和热稳定试验的影响；产品安装完毕后，塑壳上面是否有漏气孔，漏气孔大小对负载试验和热稳定试验的影响；这个规格的SPD的低温侧焊接和高温侧焊接工艺要求分别有哪些等等。这些要素都会在一定程度上影响两个试验项目的结论甚至成败。

【参考文献】

［1］，低压电涌保护器(SPD)第1部分：低压配电系统的电涌保护器性能要求和试验方法，《GB18802.1-2011》.

［2］，电子设备用压敏电阻器第1部分：总规范《GB/T10193-1997》.