商迎美

摘要；傳統(tǒng)的電流互感器二次側(cè)過(guò)電壓保護(hù)器采用壓敏電阻作為電壓的采樣器件，存在著泄漏電流較大和發(fā)熱問(wèn)題，在實(shí)際的使用中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)漏電流較大，裝置發(fā)熱燒毀等問(wèn)題，而采用氣體放電管代替壓敏電阻作為電壓采樣器件，可以有效地減少泄漏電流，大大降低器件本身的發(fā)熱量。該文主要分析了氣體放電管在電流互感器二次側(cè)過(guò)電壓保護(hù)器上的應(yīng)用，并且提供了過(guò)電壓采樣和保護(hù)電路。

關(guān)鍵詞：氣體放電管；壓敏電阻；電流互感器；直流擊穿電壓

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）07-0220-02

1電流互感器二次側(cè)過(guò)電壓保護(hù)器的作用和原理

電流互感器二次測(cè)過(guò)電壓保護(hù)器主要應(yīng)用在電力設(shè)備安全檢測(cè)系統(tǒng)中，可以保護(hù)其后端接人的電流，電壓測(cè)量裝置安全。電流互感器在電路中起到電流變換的作用，屬于感性器件，一旦二次側(cè)出現(xiàn)斷路，或一次側(cè)出現(xiàn)短路，過(guò)載等故障時(shí)，則會(huì)在其兩端產(chǎn)生非常高的電壓，瞬間損壞后端接入的設(shè)備，嚴(yán)重的甚至造成人員傷亡。因此，對(duì)于此種突變電壓的防范尤其重要。目前市場(chǎng)上采用的電流互感器二次測(cè)過(guò)電壓保護(hù)裝置主要采用壓敏電阻作為核心的電壓采樣器件，但由于壓敏電阻長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)出現(xiàn)較大的漏電流，影響其后端測(cè)量裝置的準(zhǔn)確性。所以急需要有新的電壓采樣器件來(lái)彌補(bǔ)壓敏電阻的不足。氣體放電管就是一種新型的電壓采樣器件，它既有壓敏電阻的電壓敏感特性，又具有很高的絕緣性能，正常工作時(shí)漏電流非常小，大約是壓敏電阻的千分之一。

電流互感器通過(guò)電磁耦合，將一次回路中的不同電流，規(guī)范到二次輸出為最大1A或最大5A兩個(gè)范圍內(nèi)，從而能夠使用成型的各種保護(hù)裝置、測(cè)量器件及控制單元。它廣泛應(yīng)用在測(cè)量?jī)x表，繼電器保護(hù)等裝置中，是獲取一次側(cè)電流信息的重要載體。電流互感器將高電流按比例轉(zhuǎn)換成低電流，其一次測(cè)線圈接在一次系統(tǒng)，二次測(cè)的線圈用來(lái)接入測(cè)量?jī)x表、繼電保護(hù)等。主要可以分為兩種應(yīng)用場(chǎng)景，第一種：作為測(cè)量設(shè)備，作用是用來(lái)計(jì)量和測(cè)量運(yùn)行設(shè)備電流的；第二種：作為保護(hù)裝置，主要與繼電裝置配合，在線路發(fā)生短路過(guò)載，斷路等故障時(shí)，向繼電裝置提供信號(hào)切斷故障電路，以保護(hù)供電系統(tǒng)的安全。

2氣體放電管的選型

2.1氣體放電管的國(guó)內(nèi)外主要廠家

氣體放電管的國(guó)內(nèi)廠家主要有威特科，鎮(zhèn)江電子管廠，檳城，新鉑錸等廠家，國(guó)外的主要有TDK_EPC，Littelfuse等廠家。國(guó)外廠家的價(jià)格普遍較高，且交貨周期較長(zhǎng)，對(duì)于一些普通的應(yīng)用場(chǎng)合（非露天，室內(nèi)等工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合），使用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的氣體放電管也可以滿足要求，在此項(xiàng)目中，使用的是東莞新鉑錸電子的一款氣體放電管。在選型的時(shí)候，需要根據(jù)使用的場(chǎng)合，選擇合適封裝，以及電氣參數(shù)。氣體放電管主要有插件和貼片兩種封裝形式，此項(xiàng)目中使用的是陶瓷插件封裝，如圖1所示：

2.2氣體放電管選型時(shí)的主要參數(shù)測(cè)量

氣體放電管型號(hào)；BLSG150A-L，主要參數(shù)如（表1）

1）直流放電電壓（150±25%）的測(cè)量：氣體放電管的直流放電電壓具有分散性的特點(diǎn)，其直流放電電壓是一個(gè)范圍，參照DATASHEET中的參數(shù)，直流放電電壓范圍在DC150V+25%。

首先在氣體放電管的一端串聯(lián)一個(gè)限流電阻（阻值和功率根據(jù)使用的場(chǎng)合設(shè)定），此處選擇30Ωa/1000 W的功率電阻。通過(guò)調(diào)壓器模擬電壓上升斜率，當(dāng)電壓達(dá)到直流擊穿電壓范圍內(nèi)，氣體放電管開始放電，由高組狀態(tài)轉(zhuǎn)換成低阻狀態(tài)。

2）沖擊耐受電流（5 KA）測(cè)量：需要專用的8/20us的雷擊電流發(fā)射裝置，一端接在雷擊電流的發(fā)射端，另外一端接在大地。電流設(shè)置為5 KA，總共測(cè)量5次，之后再次測(cè)量其直流放電電壓和絕緣電阻，觀察數(shù)據(jù)是否有明顯變化。

3）工頻耐受電流（5 A）：采用測(cè)量直流放電電壓時(shí)使用的電路，當(dāng)氣體放電管兩端的電壓達(dá)到直流放電電壓后，氣體放電管開始通過(guò)設(shè)定的5 A電流，持續(xù)時(shí)間1 min（具體的測(cè)試時(shí)間以實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景作為參考，此項(xiàng)目中的電流互感器二次側(cè)過(guò)電壓保護(hù)器作為防雷，過(guò)電壓保護(hù)設(shè)備使用，電路中的過(guò)電壓情況一般持續(xù)的時(shí)間較短）。測(cè)試完成之后再次測(cè)量直流放電電壓和絕緣電阻，觀察數(shù)值是否有仍在規(guī)定的范圍內(nèi)。

4）絕緣電阻：外施50或100 V直流電壓時(shí)測(cè)量的氣體放電管電阻，>1 000MΩ。

5）溫度范圍：其工作溫度范圍一般在一55℃～+125℃之間，但是實(shí)際的測(cè)量條件很難達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)，一般會(huì)按照實(shí)際使用條件的溫度范圍測(cè)量，此項(xiàng)目屬于一般的工業(yè)使用環(huán)境（一20℃～+60℃），市場(chǎng)上常用的高低溫箱都可以達(dá)到此條件。分別在高溫和低溫條件下測(cè)量直流放電電壓，工頻耐受電流。

6）極間電容測(cè)量：放電管的寄生電容很小，極間電容一般在1pF～5pF范圍，極間電容在很寬的頻率范圍內(nèi)保持近似不變，同型號(hào)放電管的極間電容值分散性很小。采用高精度的電橋可測(cè)量出極間電容。

7）其他參數(shù)說(shuō)明：如下圖2，當(dāng)氣體放電管兩端的電壓達(dá)到V_BK之后會(huì)出現(xiàn)急劇下降的過(guò)程，當(dāng)其兩端的電壓降到V_GL（開始發(fā)光電壓），氣體放電管內(nèi)部的惰性氣體開始出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象，當(dāng)其兩端的電壓下降到V_ARC（弧光電壓）后保持在V_ARC。當(dāng)氣體放電管兩端的電壓源消失，其內(nèi)部的弧光開始消失，電壓繼續(xù)下降到V_E熄弧電壓（extinction voltage）.

3氣體放電管在電流互感器二次側(cè)過(guò)電壓保護(hù)器中的應(yīng)用

采用氣體放電管作為電壓采樣器件的電流互感器二次側(cè)過(guò)電壓保護(hù)器，正常運(yùn)行時(shí)氣體放電管兩側(cè)的電壓小于20 V，此時(shí)的氣體放電管處于高阻狀態(tài)，阻抗大于1 G，通過(guò)它的泄漏電流小于1uA，對(duì)該回路的動(dòng)作值和表計(jì)準(zhǔn)確度的影響可以忽略不計(jì)。當(dāng)二次回路開路或一次繞組出現(xiàn)異常電流過(guò)時(shí)，在二次繞組中產(chǎn)生的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常運(yùn)行電壓（數(shù)值取決于CT本身參數(shù)和運(yùn)行情況），此時(shí)內(nèi)部的電壓采樣器件一氣體放電管瞬間導(dǎo)通，迅速地將過(guò)電壓信號(hào)通過(guò)光耦傳遞到后方的信號(hào)采集系統(tǒng)，并由后方的采集系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，控制繼電器的觸點(diǎn)閉合，從而使電流互感器二次側(cè)進(jìn)入穩(wěn)定的短路狀態(tài)，徹底避免了過(guò)電壓危害。

如圖3所示，氣體放電管GDT2接在整流橋后端，接收來(lái)自前方的過(guò)電壓信號(hào)，當(dāng)其接收的過(guò)電壓信號(hào)超過(guò)氣體放電管的導(dǎo)通閥值，氣體放電管則處于導(dǎo)通狀態(tài)，其后端的電解電容c1，TVS管1）3，相繼接收到來(lái)自前方的過(guò)電壓信號(hào)。點(diǎn)解電容C1將過(guò)電壓信號(hào)的雜波濾除，TVS管D3將過(guò)電壓型號(hào)的能量對(duì)地釋放，對(duì)其后端的元器件起到保護(hù)的作用。當(dāng)繼電器K1接收到來(lái)自控制系統(tǒng)的閉合信號(hào)，瞬間將U1a和U1b短路，也就是將電流互感器二次測(cè)短路。通過(guò)改變GDT2的閥值電壓，可以形成不同型號(hào)的產(chǎn)品，滿足不同場(chǎng)合的使用。

4氣體放電管作為電壓采樣器件的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的壓敏電阻相比較，氣體放電管作為電壓采樣器件具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）泄漏電流小

在實(shí)際的使用中，泄漏電流的大小嚴(yán)重影響電流互感器二次側(cè)其他測(cè)量?jī)x器精度，和自身的使用壽命。傳統(tǒng)的電流互感器二次側(cè)過(guò)電壓保護(hù)器采用壓敏電阻作為電壓采樣器件，具有一定的泄漏電流（壓敏電阻的伏安特性如圖4所示），當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓沒(méi)有達(dá)到Uc（俗稱標(biāo)稱電壓或閥值電壓）時(shí)，會(huì)有一定的泄露電流I流過(guò)壓敏電阻，一般在1 mA左右。如果長(zhǎng)期使用其泄露電流由于溫度和濕度的影響還會(huì)進(jìn)一步增大，如果將其應(yīng)用在實(shí)際的電路當(dāng)中，很有可能會(huì)影響后端設(shè)備的使用和引發(fā)漏電空開跳閘。氣體放電管作為開關(guān)型器件，當(dāng)加在其兩端的電壓沒(méi)有達(dá)到導(dǎo)通閥值，就沒(méi)有泄露電流流過(guò)，因?yàn)槠鋬?nèi)部充滿了惰性氣體（氬氣或氖氣），能有效的隔離高電壓端和低電壓端。如果加在氣體放電管兩端的電壓達(dá)到或超過(guò)其閥值電壓，那么其內(nèi)部的惰性氣體將被擊穿，氣體放電管由高阻變?yōu)榈妥锠顟B(tài)。

2）寄生電容小

放電管的寄生電容很小，極間電容一般在1 pF～5 pF范圍，極間電容在很寬的頻率范圍內(nèi)保持近似不變，同型號(hào)放電管的極間電容值分散性很小。

3）響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)

采用氣體放電管作為電流互感器二次側(cè)過(guò)電壓保護(hù)器電壓采樣器件，放電延時(shí)（既相應(yīng)時(shí)間）較大，一般在幾百納秒，動(dòng)作靈敏度不如壓敏電阻。但在電流互感器二次側(cè)過(guò)電壓保護(hù)器領(lǐng)域，對(duì)于電壓采樣器件的相應(yīng)時(shí)間參數(shù)要求不高，因?yàn)樵陔娏骰ジ衅鞫蝹?cè)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些干擾電波，以及啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓，所以一般會(huì)在過(guò)電壓信號(hào)傳送過(guò)程中增加延時(shí)電路（如下圖5所示），其電阻R4和C2組成了一個(gè)RC充電延時(shí)電路，充電時(shí)間T一般在100 ms左右。也就是說(shuō)當(dāng)前端的過(guò)電壓信號(hào)持續(xù)發(fā)生時(shí)間達(dá)到100ms時(shí)，才能夠通過(guò)延時(shí)電路將信號(hào)傳遞到后方。氣體放電管的這種特性（放電延時(shí)較大，響應(yīng)時(shí)間慢），對(duì)于電流互感器二次側(cè)過(guò)電壓保護(hù)器來(lái)說(shuō)，并不影響其后端的反應(yīng)速度。所以選擇氣體放電管代替壓敏電阻作為電壓采樣器件即可以發(fā)揮氣體放電管的優(yōu)點(diǎn)又可以規(guī)避其缺點(diǎn)。

5結(jié)束語(yǔ)

總之，采用氣體放電管作為電流互感器二次側(cè)過(guò)電壓保護(hù)器的電壓采樣器件，其優(yōu)越性在實(shí)際的應(yīng)用中已經(jīng)得到驗(yàn)證。在實(shí)際的應(yīng)用中，使用了氣體放電管的電流互感器二次側(cè)過(guò)電壓保護(hù)器能夠有效地減少漏電空開跳閘和產(chǎn)品自身發(fā)熱燒毀現(xiàn)象，對(duì)于電流互感器一次側(cè)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的一些瞬態(tài)的電壓尖峰現(xiàn)象，也能夠有效的濾除，不會(huì)出現(xiàn)經(jīng)常誤動(dòng)作的現(xiàn)象。另外氣體放電管可以反復(fù)使用，在其使用壽命的周期內(nèi)會(huì)一直對(duì)后端的設(shè)備起到保護(hù)的作用。當(dāng)一次故障排除后，氣體放電管兩端的電壓重新回到V_BK以下，不再能夠激發(fā)其內(nèi)部的惰性氣體放光導(dǎo)通。此時(shí)氣體放電管重新回到高阻的狀態(tài)。