浅谈 SPD浪涌保护器热脱扣和 SCB后备保护器电磁脱扣
刘洪 陈华 刘广陵 张锦锋
本文作者多人都是从事陶瓷气体放电管 GDT的设计、生产、应用近 20 年的从业人员，单在 GDT 产品上，算是专家。但是，在防雷工程、浪涌保护器 SPD，以及最近几年新开发出的后备保护器产品 SCB方面，我们只能算一个深度参与者。本文中心议题是谈 SPD 热脱扣和 SCB 电磁脱扣问题，团队明显还是不太全面。由于无知所以无畏，我们敢于说真话、说实话。本文一定会有不当不正确的地方，还请看到此文的专家不吝纠正，欢迎拍砖。
先说个故事，这事差不多近十年了。有国内某知名 SPD 生产商给国内知名通信公司提供带脱扣 SPD 产品，由于批次送检，热脱扣不稳定，先后有批次产品抽检不合格，整批产品判退。供应商损失惨重，产品的主管工程师顺理成章成了主要责任人！重压之下唯有“离职谢罪”。还有运营商机柜起火等类似事件，我们知道的前后多家公司，发生类似事件多起。运营商、SPD 提供商都损失巨大，有些非常优秀的 SPD设计制造工程师，重压之下从此无奈改行了。
01
核心议题
本文的核心议题是浪涌保护器SPD热脱扣问题。组成 SPD 的关键核心器件，无外乎是压敏电阻 MOV、陶瓷气体放电管 GDT、半导体放电管 SSG 和瞬态抑制管 TVS 等。过压动作时，这些器件击穿点（发热点）是不确定的，表面积越大的产品，发热点越难捕获。单次的放电点，可以用“飘忽不定”来形容，可能是产品中部、可能是边缘。另外，热稳定性也是个问题，如果结构上设计有非常容易散热导热的接插件，热脱扣的效果又不同了。非雷击时静态、雷击时都不能脱开（就有听说，SPD 放仓库存放，就自己脱扣了）；过流过载过热时，又要迅速脱开，否则就有酿成起火事故的可能，要把握好这个平衡，确实有一定的难度。
总结一下影响 SPD 热脱扣反应速度是秒级别（S），影响一致性效果的相关要素：
1、 压敏电阻 MOV、陶瓷气体放电管 GDT 产品特性的一致性；
2、 选择低温焊锡熔点温度大小；
3、 低温焊接点焊锡量多少；
4、 低温焊接点接触面积大小、两连接片是平面焊接？还是穿孔焊接（可形成工字型锡柱的立体焊接）；
5、 弹簧弹力大小；
6、 脱扣后两电极片能脱开的行程大小；
7、 是否设计有灭弧机构，灭弧效果如何（绝大部分 SPD 由于空间有限，都省掉了此灭弧机构）；就算有此机构，灭弧能力也是有一定范围的，这里也就引出应用场景的概念了，不可能一个产品满足所有应用场景。
8、 焊接 MOV、GDT 电极片材料材质；
9、 焊接 MOV、GDT 电极片材料尺寸大小，传导散热效果；
10、热脱扣发生时的环境温、湿度…
稍微整理列举，就十个以上的相关影响要素！每一个要素，都可能导致不同的结果（至少脱扣时间是不同的，可能 3 秒，可能 5 秒），由于上十、百 A 电流，电压几百伏，MOV、GDT 热积累，引燃外壳、周围材料的概率还是非常大的。可见“谢罪”的工程师比窦娥还冤！
虽如此，浪涌保护器 SPD 作为防雷工程的核心防护器件，大多数公司为提高产品可靠性，做出了卓越的努力，也设计生产出了非常可靠的SPD 产品，为防雷减灾作出了非常大的贡献。作为传统技术生产的 SPD 热脱扣产品（定义为技术路线一）虽有瑕疵，还有很多地方需要不断的优化完善，大家无时无刻，都在为做出高度可靠的 SPD 产品，做着不懈的努力，安迅防雷www.ansunspd.com
02
传统技术路线对产品的改进
基于以上传统 SPD 应用痛点，较多的陶瓷气体放电管元件公司，对陶瓷气体放电管元件，进行了不断的优化升级改进，设计制造出高弧光电压，淬火灭弧特性更好的单层（应用 NPE 上，具备～300A 熄灭弧能力）、多层陶瓷气体放电管（应用 LNPE 全模上，具备高达10kA 熄灭弧能力），或者是多层石墨间隙模块。此类多间隙元件产品，有非常好的防雷电过压特性，还非常高效的改善了遮断续流特性，在相对固定的应用场景里面（在一定的续流范围内，比如 255vAC，0～10kA 以内），可以做到无续流。能推出此类产品，过程也是非常曲折和艰难。早期，国内某些权威机构、大佬认为有风险，不主张采用！此后国外大品牌不断推出此类产品，国内才慢慢开始批量使用开来。
03
“技术路线三”——后备保护器技术（ SCB）
还有一些公司，选择了第三条路线，借鉴漏电断路器的原理，走电磁脱开的技术路线。我们觉得也是一个不错的创新之举。此技术路线，就是最近比较热门的后备保护器产品 SCB。下面是 SCB 技术原理图：
SCB 在工频分断能力上，继承了漏电断路器的能力，能非常方便地设计分断电流大小，将可能带来损害的热参数转换为电流参数。电流产生磁感应电动势，磁芯动杆推动机构分断，非常灵敏、迅速(反应速度是毫秒级 100mS)。要素相对简单可控，优势还是非常明显（相对热脱扣多要素影响）。
SCB 一经推出，也是争议不断。如同当初，多层 GDT 产品使用在 LN 线路上，国内权威大佬，也是非常谨慎，不敢越雷池半步。但是，最近几年，多层 GDT、多层石墨模块，已经大批量使用在 LNPE 全模防雷工程上。大家要习惯这类争议拿它当改善产品的动力，力争把产品做的更好，来回应这种质疑！当然，要做到工频、高频雷电各走各路，尽量少的影响对方，消除防雷盲区、误动作等。对 SCB 工程技术人员，也还是提出较多较高的要求，有待 SCB 工程师不断优化完善。对此我们就不专业了，此处不再班门弄斧了。
深圳市威特科电子有限公司，也是较早推出适合 SCB 高频雷电路径的 GDT，此类 GDT 能量密度高，具备超大通流能力，高续流遮断能力，快速响应特性，残压极低，符合 TOV 测试、IEC61643-11 等标准要求，能非常好的配合 SCB 的各项特性要求。非常欣慰的是，此类 GDT 产品已经有上千万只的数量级，服务在国内、国际大品牌的各类电器设备上，并得到了客户一致好评。
04
技术路线四——为啥能灭弧？
以上介绍了三种技术路线，来解决防雷工程上SPD 交流过载脱扣问题。下面介绍第四种非常特殊技术路线，说它特殊，是因为这个技术，已经存在几十年了。也是一种固定空气间隙产品（类似石墨间隙产品），辅助气道结构+氢爆灭弧机理。此技术路线，结构相对石墨间隙复杂一些，特别是固态析氢材料（是核心卡脖子材料），具备绝缘特性，外观类似泡棉，塑O型胶垫状，放在左右间隙中间气道内。雷击过压时，左右间隙在辅助电路触发下，Up 在 1500v 以内着火产生电弧，电弧把热量传递给固态析氢材料，固态析氢材料遇热析出 H2，H2+气道原有的氧气O2，遇电弧火花，产生氢爆，炸断后续电弧（高热高压气浪从里向外、单向喷涌而出），起到灭弧的作用，有高达 50kA 续流遮断能力。国内现在还没有能出其左右的产品，把以毒攻毒应用到极致。
大家再回过头来看看，传统“技术线路一”生产的 SPD 脱扣装置热脱扣，为啥那么难？热源问题，结构问题，材料问题，环境问题，灭弧问题…太多需要控制要素了！
“技术路线四”生产制作的 SPD，国外已经使用超 30年（待更加详实的考证），作者能查到的专利是上世纪 95 年代的。大家都应该猜到了，是 DEHN 的主打产品。我们国内能理解其原理的人并不多。下图“产品 A”是能找到的国内老前辈的技术解说，非常接近了，但还是没有说明白核心要素，为啥能吹灭弧？作者作为中国的技术一员，感觉非常惭愧。
05
非主流的“技术路线五”
“技术线路五”（作者定义为非主流）：美国 Szerosurge 公司，他们拒绝使用 MOV 元件，强烈推荐使用串联模式滤波器技术，如下图产品。这家公司的产品我们团队没有深入研究过，只是当做一个技术路线，推荐给大家。感兴趣的朋友，可以自己深入研究，并分享技术优缺点给大家。
06
结束语
总体看来，五条技术线路都各有优缺点，都不可能尽善尽美。只能是在特定环境、不同行业场景应用上，找到合适的、性价比最优、最大可能保护的方案。
鉴于最近看到个别行业机构、专业人士大佬，又和以前压制“技术线路二”（不敢使用多层陶瓷气体放电管、多层石墨间隙产品）一样，现又有意无意的打压新技术 SCB 的发展，故步自封，不敢接受新事物，故有写此文章的想法。
我们希望很快会有更优秀的第六、第七条技术路线脱颖而出，百家争鸣。
我们相信，所有的技术路线，都有专业公司、有科技人员在攻关。希望有更多的专业公司、更多的科技人员不断探索，把雷电防护、防过压过流技术推向更高更强领域！
