低压系统SPD和后备过电流保护装置可靠性分析（摘录）姚烨 （天津市中力防雷技术有限公司）薛文安 （中国民航大学）摘要介绍浪涌保护器及其后备过电流保护装置的时间质量，重点分析金属氧化物压敏电阻型浪涌保护器、熔断器、断路器以及专用断路器的可靠性特征量失效率和系统失效率，并进行比较。
指出选择高可靠性（低失效率）SPD 是提高系统可靠性的根本措施，降额设计是提高 SPD 可靠性的主要方法之一，熔断器是后备过电流保护装置中失效率最低的器件。
关键词浪涌保护器；过电流保护装置；标称放电电流；SPD 安装点的预期浪涌电流；可靠度；失效率；熔断器；断路器本文发表在2021年第9期《建筑电气》（雷电防护委员会2021年会专栏）0 引言被保护设备前端安装浪涌保护器 （SPD），SPD串联后备过电流保护装置 （OCPD2），这是低压配电系统的通用配置。
其中 SPD 为主要器件，OCPD2 为辅助器件，二者共同配套组成浪涌保护支路 SPDA（见图 1）。
主要器件 SPD 的接入提高了被保护设备的环境可靠性，但也降低了被保护设备的固有可靠性，这是因为增加了一个器件就增加了一个故障点；辅助器件OCPD2 串联接入 SPDA 支路，SPD 正常时，OCPD2为冗余器件；只有在 SPD 短路失效时，OCPD2 断开工频短路电流，保障供电正常和安全。
当不安装 OCPD2 时，SPD 失效，无论是短路失效还是开路失效，SPD 都会失去抑制浪涌的功能，其中 SPD 开路失效，不影响供电系统，SPD 短路失效时使工频电流短路到地，启动 OCPD1 动作中断供电。
当安装 OCPD2 时，在 SPD 短路失效，OCPD2 也失效 （断不开工频电路） 时，同样会启动 OCPD1 动作中断供电。
OCPD2 的接入又增加了一个故障点，进一步降低了被保护设备的固有可靠性。
虽然 SPD、OCPD2 的失效率很低，但仍然存在发生失效的概率。
目前，国内外规范中低压系统使用熔断器或断路器作为 SPD 的后备过电流保护装置 （OCPD2），近年来国内众多厂商推出多种 SPD 专用断路器 （SCB、iSCB 等）， IEC SC37A / B AHG9 工作组专家研究SSD （SPD specific disconnector），认为“目前的保护方案可能存在盲区”。
因该课题与 IEC TC23E 家用断路器和类似设备委员会、IEC TC32 熔断器委员会任务范围交叉，怎样进行课题研究还在探讨中，目前SCB 尚无国际标准支撑。
产品的更新换代是行业发展规律，人们通常关注产品的性能质量，往往忽略产品的时间质量，即可靠性。
任何新产品的推出应给用户提供产品的性能质量、时间质量和经济指标。
目前推出的 SCB 等产品只给出了性能参数，没有任何一家提供可靠性指标。
本文仅对熔断器、断路器和 SCB 的可靠性进行简单分析，供工程人员参考。
01 SPD 与后备过电流保护装置的工作原理SPD、过电流保护装置与被保护设备的连接关系如图 1 所示。
图 1 中有两个过电流保护装置，OCPD1 是被保护设备供电回路的过电流保护装置，实现短路过载保护；OCPD2 是浪涌保护器支路 （SPDA） 的后备过电流保护装置，用于当 SPD 短路时分断支路短路电流。
SPD 与 OCPD2 的工作状态可以分成以下几种情况。
1. 1 SPD 可靠无浪涌时，SPD + OCPD2 支路呈高阻状态，供电回路正常供电；浪涌到达时，SPD 呈低阻状态，SPD + OCPD2 支路导通，限制了浪涌过电压，分流泄放浪涌电流。
在这个过程中 OCPD2 只是浪涌电流的通道，在浪涌保护状态下 OCPD2 应承受通过 SPD的预期浪涌的冲击。
SPD + OCPD2 支路保护了设备免受浪涌冲击，浪涌过后 SPD 恢复为高阻状态。
浪涌到达时，若 OCPD2 不能承受预期浪涌冲击发生开路失效，则 SPD + OCPD2 支路呈开路状态失去浪涌保护功能，但供电回路仍能正常供电。
1. 2 SPD 短路失效，OCPD2 断开OCPD2 应分断预期工频短路电流 ，使SPD+ OCPD2 支路呈开路状态，保障正常供电，但分断后系统失去对后续的浪涌防护功能。
1. 3 SPD 短路失效，OCPD2 也失效 （未断开）SPD + OCPD2 支路将电源短路，迫使 OCPD1 切断供电线路。
这既失去浪涌保护功能，又无法正常供电。
需要特别说明的是：① 金属氧化物压敏电阻（MOV） 型、气体放电管 （GDT） 型 SPD 的主要失效模式为短路失效模式；② OCPD2 断开虽然能保证正常供电，但下一次浪涌到来时，SPD + OCPD2 支路不 再 对 被 保 护 设 备 提 供 浪 涌 保 护 ；③ OCPD1、OCPD2 （fuse、MCB、SCB） 对工频电流通常都是单次性 （准单次性） 的工作模式，但要承受通过 SPD预期浪涌电流的多次冲击。
按照上面工作状态的分析可知，从浪涌保护功能方面看，只要 SPD 短路失效，无论 OCPD2 是否失效，SPD 与 OCPD2 的串联支路都失效；从对供电的后备保护方面看，当 SPD 和 OCPD2 都失效，SPDA串联系统才失效。
02SPD、后备过电流保护装置 （OCPD2）及其组成系统的失效率（略）SPD、OCPD2 都是不可维修产品，其可靠性的特征量失效率 λ（t）是重要指标。
失效率越低，产品的可靠性越高。
下文称 SPD 的失效率为 λ1，称 OCPD2 的失效率为 λ2，OCPD2 包括熔断器、断路器、专用断路器（SCB）。
2. 1 MOV 型 SPD 失效率2. 2 熔断器的失效率2. 3 断路器的失效率2. 4 SPD 专用断路器 （SCB） 的失效率2. 5 OCPD2 各元器件失效率的比较2. 6 SPD + OCPD2 完成浪涌保护功能时的可靠性分析2. 7 SPD + OCPD2 完成保障供电正常功能时的可靠性分析2. 8 SPDA 支路系统失效率 λS2. 9 小结SPD 是浪涌防护的主要器件，只要 SPD 可靠，系统才可靠；SPD 失效了，系统就失去主要的浪涌防护功能，OCPD2 可靠时能断开工频电流，但不能提供浪涌防护能力。
所以选择高可靠性的 SPD 才是保持系统可靠性的根本方法。
SPD 专用断路器 （SCB） 的失效率大于 SPD 的失效率，因此 SPD 专用断路器 （SCB） 先于 SPD 损坏是大概率事件。
03 提高 SPD 可靠性的主要方法提高 SPD 可靠性的主要方法包括：a. 生产厂商改进 MOV 芯片设计，采用新材料和改进工艺，生产出低失效率的产品，提高固有的可靠性。
b. 提供良好环境如合适的温度、湿度、气压，保持环境可靠性。
c. 对 SPD 进行筛选、老化，缩短早期的失效期。
d. 视情况或定期更换劣化的 SPD。
e. 选用能够进行寿命预警的智能型SPD 及监控系统。
f. 降额设计是提高 SPD 可靠性的主要方法。
低压系统通常选用 MOV 型 SPD，MOV的伏安特性如图 2 所示。
降额设计就是降低 SPD 承受的电应力 （浪涌），合理的降额可大幅度地降低SPD 的失效率。
04 结论SPD 后备过电流保护装置的确能提高供电系统的可靠性，但代价是降低了 SPD 对浪涌的防护可靠性并增加了费用。
系统可靠性的基础是元件的可靠性，选择低失效率的 SPD 和低失效率的 OCPD2 就能提高系统的可靠性，尤其是选择低失效率的 SPD。
对 SPD 应用降额设计是可靠性设计的准则之一，对系统来说还应简化设计，在能完成基本功能的条件下，应选用最少的单元组成系统，以提高系统的可靠性。
过电流保护装置的选择中，熔断器的组成最简单，主体是金属丝，其失效率远低于其他过电流保护装置，价格又低，所以熔断器应为 OCPD2 首选器件。
技术进步一定会推出新产品，对新产品除关注其性能质量指标外，还应注意其时间质量指标，科技的进步应使其产品性能优、可靠性高并价格合理。
SPD 是低压系统中浪涌防护的主要器件，MOV型 SPD 是损耗器件，当到损耗期时，失效率 λ（t） 随时间增大。
采用智能型 SPD 及监控系统能实时监测到 SPD的劣化 （λ（t） 增大），当劣化超过设计允许值时报警，可以及时更新劣化的 SPD，以保持 SPD 的失效率工作在有效寿命期，使被保护系统的可靠性得以维持在设计水平。
参考文献［1］ International Electrotechnical Commission. IEC62305 - 1 Protection Against Lightning — Part 1：GeneralPrinciples［S］. Ed. 2. 0. Geneva，2010.［2］ International Electrotechnical Commission. IEC62305 - 4：2010 Protection Against Lightning — Part 4：Electrical and electronic systems with instructures ［S］.Ed. 2. 0. Geneva，2010.［3］ 信息产业部电子第五研究所，等. GJB / Z 299C- 2006 电子设备可靠性预计手册［S］. 北京：中国标准出版社，2007.［4］ 王世萍，朱敏波. 电子机械可靠性与维修性［M］.北京：清华大学出版社，2000.［5］ 陈炳生. 电子可靠性工程［M］. 北京：国防工业出版社，1987.［6］ 赵洋. 电涌保护器 （SPD） 和后备保护断路器的配合［D］. 上海：上海交通大学，2011.［7］ 尹天文，王碧云，蒋荣兴. 电涌保护器脱离器的设计与研究［J］. 低压电器，2006 （6）：3 - 7，19.［8］ 吴正华，蔡振新. 低压配电系统用 SPD 后备保护的选择与应用［J］. 中国雷电与防护，2004 （3）：1 - 7.［9］ 全宇辰，侯越. 电涌保护器 （SPD） 后备保护选用的讨论［J］. 电气工程应用，2008 （3）：43 - 47.［10］ 清华大学，等. GB / T 19663 - 2005 信息系统雷电防护术语［S］. 北京：中国标准出版社，2005.［11］ 王锡吉. 可靠性工程技术［M］. 北京：电子工业出版社，1995.［12］ 何国伟. 电子产品的质量管理和可靠性［M］.北京：科学出版社，1983.［13］ 总装备部技术基础管理中心，航空工业发展研究中心，装甲兵工程学院，等. GJB 451A - 2005 可靠性维修性保障性术语［S］，2005.［14］ 丁定浩. 可靠性与维修性工程［M］. 北京：电子工业出版社，1986.［15］ 王厚余. 建筑物电气装置 600 问［M］. 北京：中国电力出版社，2013.来源 | 【CN防雷】微信公众号