郭在華， 何錫汶， 田艷茹

(1.成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院，四川成都610225;2.北京雷電防護(hù)裝置測(cè)試中心，北京100176)

0 引言

在低壓配電系統(tǒng)中，組合型SPD既可以起到降低殘壓的效果，并且還不占用過多的空間。段振中等［1］驗(yàn)證了在敏感設(shè)備的前面安裝組合型浪涌保護(hù)器，第一級(jí)保護(hù)器可以將絕大部分電流泄放掉，并吸收大部分過電壓能量，在第二級(jí)保護(hù)器處進(jìn)一步降低電壓確保被保護(hù)設(shè)備的安全不受暫態(tài)過電壓損壞。孟梅等［2］指出開關(guān)型器件和限壓型器件的能量配合可以減少過電壓通過浪涌保護(hù)器的時(shí)間，這有助于延緩浪涌保護(hù)器老化劣化的速度。

以上的研究成果已經(jīng)證明開關(guān)型器件與限壓型器件的配合在電子信息及信號(hào)系統(tǒng)防護(hù)中有著明顯的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于組合型SPD目前既沒有對(duì)兩種類型的器件選擇有明確的標(biāo)準(zhǔn)，也沒有對(duì)配合過程中各性能工作情況進(jìn)行具體的分析。針對(duì)這一問題，對(duì)不同參數(shù)的開關(guān)型和限壓型器件進(jìn)行配合形成組合型SPD，并利用復(fù)合波發(fā)生器對(duì)其沖擊測(cè)試，對(duì)兩者產(chǎn)生最佳配合選擇條件和沖擊后SPD殘壓變化做出詳細(xì)的分析。

1 氣體放電管與壓敏電阻能量配合關(guān)鍵要素

氣體放電管與壓敏電阻的配合原理圖如圖1所示。在實(shí)際防雷保護(hù)中，氣體放電管與壓敏電阻的有效配合能夠?qū)PD的通流能力大大提升、過電壓沖擊后限制電壓會(huì)更低以及延緩元器件的老化劣化這幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。因此，兩者能量配合的關(guān)鍵點(diǎn)如下:

圖1 氣體放電管與壓敏電阻的配合原理

(1)氣體放電管與壓敏電阻的配合方式:使用復(fù)合波發(fā)生器對(duì)組合型SPD沖擊試驗(yàn)。SPD中的氣體放電管和壓敏電阻應(yīng)采取高-低配合的方式，即氣體放電管的沖擊擊穿電壓應(yīng)高于壓敏電阻的壓敏電壓，這種高-低方式配合能夠合理的分配過電壓的能量。

(2)線路中的退耦元件:在第一級(jí)與第二級(jí)器件之間加入退耦元件可以起到以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì):雷電波由于線路上加入退耦元件會(huì)導(dǎo)致傳輸速度會(huì)降低;在電流一定的情況下，線路波阻抗增加導(dǎo)致線路電壓增加，有利于第一級(jí)開關(guān)型器件的提前啟動(dòng);雷電波通過退耦元件后，波頭的上升陡度會(huì)降低;線路中加入退耦元件等于延長(zhǎng)了導(dǎo)線的長(zhǎng)度，使得雷電波在該段線路上的傳輸時(shí)間更長(zhǎng)，從而第一級(jí)器件的響應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)。

(3)氣體放電管與壓敏電阻配合時(shí)所需過電壓幅值:氣體放電管與壓敏電阻參數(shù)固定后，兩者能量配合的效果取決于氣體放電管能否泄放絕大部分能量。在過電壓幅值較小的情況下，只有壓敏電阻處于工作狀態(tài)，但隨著電壓幅值的增加，氣體放電管不斷泄放能量。當(dāng)電壓幅值增加到氣體放電管能夠泄放絕大部分能量時(shí)，可將此時(shí)定義為氣體放電管與壓敏電阻完全配合。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不同參數(shù)的開關(guān)型器件與限壓型器件的配合，要達(dá)到兩者完全配合所需的過電壓幅值是不同的，這表明要根據(jù)使用環(huán)境和被保護(hù)設(shè)備的耐受能力選擇不同參數(shù)的氣體放電管和壓敏電阻進(jìn)行配合，以此達(dá)到防護(hù)過電壓的目的。

2 復(fù)合波的參數(shù)及沖擊測(cè)試程序

2．1 復(fù)合波的參數(shù)及誤差范圍

復(fù)合波發(fā)生器的標(biāo)準(zhǔn)沖擊波的特征用開路條件下的輸出電壓和短路條件下的輸出電流表示。開路電壓的波前時(shí)間為1.2 μs，半峰值時(shí)間為50 μs;短路電流的波前時(shí)間為8 μs，半峰值時(shí)間為20 μs。開路電壓的峰值和短路電流的峰值為20 kV和10 kA。復(fù)合波參數(shù)誤差如表1所示。

表1 復(fù)合波參數(shù)允許誤差

2．2 復(fù)合波沖擊SPD的試驗(yàn)程序

復(fù)合波沖擊SPD的試驗(yàn)程序步驟:復(fù)合波發(fā)生器的高低壓端分別施加在SPD的正負(fù)極上;設(shè)定好復(fù)合波發(fā)生器的沖擊電壓幅值，每種幅值對(duì)SPD施加4次沖擊，正負(fù)極性各2次;每次沖擊的間隔時(shí)間應(yīng)足以使試驗(yàn)樣品冷卻到環(huán)境溫度;每次沖擊時(shí)用示波器記錄從發(fā)生器流經(jīng)SPD的電流值，沖擊后用示波器記錄SPD輸出端口的殘壓值。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及內(nèi)容

3．1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)?zāi)康脑谟谔骄窟^電壓幅值沖擊對(duì)不同參數(shù)的開關(guān)型器件和限壓型器件之間配合的影響、氣體放電管的通流容量變化趨勢(shì)和過電壓沖擊后SPD殘壓的變化趨勢(shì)的影響。在試驗(yàn)樣品方面，氣體放電管選用了沖擊擊穿電壓分別為230 V、350 V、470 V、600 V、800 V和1000 V 6種;而在壓敏電阻方面，則選用了壓敏電壓分別為45 V、121 V、241 V、471 V、621 V和681 V 6種壓敏電阻片。所有樣品經(jīng)靜態(tài)參數(shù)測(cè)試儀測(cè)量后誤差均處在允許范圍以內(nèi)。此外，在氣體放電管與壓敏電阻片之間串入4.7 μH的電感線圈作為退耦元件。沖擊設(shè)備使用復(fù)合波發(fā)生器模擬不同幅值的電壓波形進(jìn)行沖擊測(cè)試。

3．2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)使用復(fù)合波發(fā)生器對(duì)SPD沖擊測(cè)試，并在SPD末端夾入測(cè)量探頭進(jìn)行殘壓采樣。試驗(yàn)中復(fù)合波的沖擊幅值由1 kV開始，每隔0.5 kV遞增直至10 kV，每次沖擊的時(shí)間間隔為5 min。通過示波器顯示的殘壓波形和數(shù)值探究過電壓幅值沖擊對(duì)不同參數(shù)的開關(guān)型和限壓型器件之間配合的影響。試驗(yàn)重復(fù)4次，正負(fù)極性各2次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為正極性2次沖擊數(shù)值的平均值。

在沖擊過程中使用壓敏電壓為681V的壓敏電阻片與沖擊擊穿電壓為1000 V氣體放電管進(jìn)行配合舉例說明氣體放電管的通流容量在SPD沖擊過程中的變化趨勢(shì)。試驗(yàn)中GDT兩端夾入測(cè)量探頭且在電路中串入1 V/0.0797 A的分流器采集流經(jīng)GDT的電流容量，沖擊電壓幅值從1.0 kV開始每隔0.5 kV遞增直至10 kV，試驗(yàn)間隔為5 min。試驗(yàn)重復(fù)4次，正負(fù)極性各2次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為正極性2次沖擊數(shù)值的平均值。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其分析

4．1 氣體放電管與壓敏電阻完全配合所需電壓幅值

所有試品經(jīng)復(fù)合波發(fā)生器沖擊后，氣體放電管(GDT)與壓敏電阻(MOV)兩者完全配合所需的電壓值如表2所示。其中符號(hào)“×”表示不符合復(fù)合波雷電流所需的高-低配合方式，符號(hào)“”表示由于氣體放電管沖擊擊穿電壓與壓敏電阻壓敏電壓值相差過大，無論采取多大的沖擊電流，兩者均無法配合，最終MOV承受了過多的能量導(dǎo)致其老化劣化并損壞。

通過上表2數(shù)據(jù)分析得出，當(dāng)固定壓敏電阻的壓敏電壓時(shí)，氣體放電管的沖擊擊穿電壓參數(shù)取的越高，達(dá)到兩者完全配合所需過電壓幅值就越大;當(dāng)固定氣體放電管沖擊擊穿電壓時(shí)，壓敏電阻的壓敏電壓參數(shù)取的越小，達(dá)到兩者完全配合所需的過電壓幅值反而越小，越容易進(jìn)入完全配合階段。

但在實(shí)際應(yīng)用中，MOV與GDT的配合并不能只關(guān)注兩者完全配合所需過電壓幅值。若SPD在使用過程遭受的過電壓使GDT達(dá)到擊穿沖擊電壓值，同時(shí)MOV也達(dá)到壓敏電壓值，但GDT沒有泄放足夠多的能量，這說明盡管SPD中GDT與MOV已經(jīng)相互配合，但遭受的過電壓幅值不足以使其完全配合，是一個(gè)不完全配合的階段。因此，還探究過電壓幅值大小對(duì)不完全配合階段的影響，以此通過這兩個(gè)方面的綜合分析，總結(jié)出開關(guān)型器件與限壓型器件配合的最優(yōu)選擇方案。

4．2 探究不完全配合階段沖擊電流對(duì)兩者配合的影響

目前沒有明確的定論說明不完全配合階段與器件選擇之間的聯(lián)系。針對(duì)這個(gè)問題，試驗(yàn)中通過每一次過電壓沖擊SPD時(shí)采集氣體放電管中是否流經(jīng)電流判斷此時(shí)SPD是否進(jìn)入不完全配合的階段。兩者完全配合所需的過電壓幅值已在表2列出，表3通過幾組不同的選擇配合方式，改變過電壓幅值的大小，找出不完全配合階段的范圍。

表3表明當(dāng)固定MOV壓敏電壓時(shí)，要達(dá)到不完全配合階段所需的過電壓幅值會(huì)隨GDT沖擊擊穿電壓的升高而升高。例如MOV的壓敏電壓為471 V，當(dāng)GDT的沖擊擊穿電壓為800 V時(shí)，沖擊電壓為4 kV兩者就能達(dá)到不完全配合階段，而若選擇GDT沖擊擊穿電壓為1000 V做配合，達(dá)到不完全配合階段的沖擊電壓則需要4.8 kV。再根據(jù)表2得出固定MOV壓敏電壓時(shí)，GDT的沖擊擊穿電壓越小，完全配合所需過電壓幅值越低的原則，綜上得出，當(dāng)固定MOV壓敏電壓時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇離MOV壓敏電壓相近的GDT做能量配合。

當(dāng)固定GDT沖擊擊穿電壓時(shí)，通過表3發(fā)現(xiàn)GDT的沖擊擊穿電壓與MOV的壓敏電壓值越接近，兩者達(dá)到不完全配合階段就越容易。例如當(dāng)GDT的沖擊擊穿電壓為1000 V時(shí)，壓敏電壓為681 V的MOV與之配合，所需的沖擊電壓為2.8 kV就進(jìn)入不完全配合階段，而選擇壓敏電壓為471 V的MOV時(shí)，所需的沖擊電壓為4.8 kV進(jìn)入不完全配合階段。因此當(dāng)固定GDT的沖擊擊穿電壓，也應(yīng)該選擇與之電壓接近的MOV做配合。

但表2結(jié)論中表明MOV壓敏電壓與GDT沖擊擊穿電壓兩者數(shù)值相差越大，達(dá)到完全配合階段所需的過電壓幅值越低。那么當(dāng)固定GDT的沖擊擊穿電壓時(shí)，限壓型器件是選擇較低MOV的壓敏電壓更早進(jìn)入完全配合階段，還是選擇較高M(jìn)OV的壓敏電壓更早進(jìn)入不完全配合階段?通過比較不完全配合階段的區(qū)間范圍來說明。

通過表2和表3比較，固定GDT的沖擊擊穿電壓時(shí)，MOV的壓敏電壓與之相差越大，不完全配合階段的電壓區(qū)間越小。因此應(yīng)當(dāng)選擇與GDT沖擊擊穿電壓相近的MOV進(jìn)行配合。這種選擇雖然提升了兩者達(dá)到完全配合所需過電壓的幅值，但由于不完全配合范圍區(qū)間更長(zhǎng)，使得兩者配合的成功率要更高。

因此綜合表2和表3數(shù)據(jù)分析，無論是固定GDT的沖擊擊穿電壓或者固定MOV的壓敏電壓，都應(yīng)該選擇與之電壓相近的元件進(jìn)行配合，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，橫向縱向?qū)Ρ鹊贸龅慕Y(jié)論。

4．3 氣體放電管通流容量變化的突變性

試驗(yàn)使用壓敏電壓為681 V的壓敏電阻片與沖擊擊穿電壓為1000 V氣體放電管進(jìn)行配合，使用1.2/50 μs復(fù)合波發(fā)生器沖擊SPD采集氣體放電管通流容量來說明其具有突變性并起到泄放能量的作用。表4記錄SPD中GDT的通流容量變化過程及其占總電流比例變化趨勢(shì)。

表4 組合型SPD中GDT通流容量數(shù)值及其所占總電流比例

將表4的結(jié)果繪成圖2更清晰的記錄了SPD中流經(jīng)GDT的通流容量的變化趨勢(shì)以及所占總電流比例趨勢(shì)。

在配合失效階段，GDT的電流數(shù)值始終為0，后端MOV承受了全部電流，這個(gè)結(jié)果是因?yàn)镸OV的啟動(dòng)速度要比GDT的啟動(dòng)速度快。當(dāng)沖擊電流增加到不完全配合階段范圍內(nèi)時(shí)，GDT電流數(shù)值會(huì)從0開始有一個(gè)明顯的突變現(xiàn)象，之后GDT通流容量隨沖擊電壓的增加呈線性增加的。

流經(jīng)GDT的電流占總電流比例在氣體放電管與壓敏電阻開始配合后占到了60%，當(dāng)兩者完全配合時(shí)，GDT的通流容量所占總電流比例會(huì)增到92.3%，這說明GDT泄放了絕大部分的能量，起到了第一級(jí)保護(hù)的效果。

圖2 GDT通流容量變化趨勢(shì)及其占總電流比例變化趨勢(shì)

4．4 探究殘壓的變化趨勢(shì)

沖擊過程中SPD的殘壓趨勢(shì)如表5所示。

表5 組合型SPD經(jīng)過電壓沖擊后的殘壓值

通過表5數(shù)據(jù)看出，隨著GDT與MOV開始互相配合，殘壓值增加的速度放緩，說明高-低配合方式已經(jīng)合理的分配過電壓的能量。隨著沖擊電壓幅值不斷增加，SPD整體殘壓值有一個(gè)下降的趨勢(shì)并在兩者完全配合時(shí)，殘壓降到了最低點(diǎn)。圖3是SPD殘壓波形所呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)。

圖3 SPD響應(yīng)時(shí)間隨沖擊電流增加變化趨勢(shì)

圖3中顯示當(dāng)MOV與GDT未達(dá)到配合階段時(shí)，SPD殘壓的波形是呈壓敏電阻殘壓的波形。隨著沖擊電壓的增加，GDT啟動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間動(dòng)作時(shí)間越來越短，這說明兩者配合程度越來越高，且殘壓的數(shù)值也會(huì)下降。

5 結(jié)束語

通過復(fù)合波發(fā)生器模擬1.2/50 μs復(fù)合波對(duì)不同參數(shù)的GDT與MOV配合后沖擊，分析數(shù)據(jù)找出產(chǎn)生最佳配合的條件，同時(shí)在沖擊期間進(jìn)行GDT的通流容量和沖擊后SPD整體殘壓的研究，得到以下結(jié)論。

(1)對(duì)于組合型SPD，無論是固定GDT的沖擊擊穿電壓或者固定MOV的壓敏電壓，都應(yīng)選擇與沖擊擊穿電壓相近的開關(guān)型元件或是壓敏電壓相近的限壓型元件進(jìn)行配合。

(2)在過電壓幅值使MOV與GDT開始配合時(shí)，GDT的通流容量會(huì)從0突變到總電流的60%，直到GDT與MOV完全配合后，這個(gè)比例會(huì)再一次陡增至90%，說明此時(shí)GDT起到了泄放絕大部分能量的作用。在沖擊過程中，GDT的通流容量數(shù)值持續(xù)線性增加的。

(3)當(dāng)過電壓幅值接近GDT與MOV完全配合階段，SPD整體殘壓值會(huì)有一個(gè)下降的趨勢(shì)，并在兩者完全配合時(shí)，殘壓降到了最低點(diǎn)。之后SPD的殘壓值會(huì)隨過電壓幅值上升而增加。

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