压敏电阻器与气体放电管配合使用的主要特性探析
2012-11-13 16:50:05
来源：《半导体器件应用》2009年12月刊
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0 前言
随着国民经济的飞速发展，国家对铁路及电力系统投资规模不断扩大，有线电视放大器、CB传输器、家用娱乐系统、电脑等类似设备日益增多，经常有可能接触到电网所感应的过电压侵入电力系统损坏电气设备。作为过电压防护的元器件，无疑为氧化锌压敏电阻器提供了极为广泛的应用空间。但是氧化锌压敏电阻器在大幅值8/20μs电流波冲击下的残压过高，而且，随着8/20μs电流波越大操作残压越高，不时地超过了设备绝缘耐受值，从而发生绝缘击穿损坏电气设备。
因此，深入探究氧化锌压敏电阻器与气体放电管相互之间的配合使用，将是人们引以关注的问题。
1 配合使用的具体方式
1.1 压敏电阻器与气体放电管串并联
应用压敏电阻器与气体放电管串并联，其目的就是降低大幅值8/20μs电流波冲击下的残压。将两个压敏电阻器串联，在后一个压敏电阻器上并联一个气体放电管（如图1）。正常情况下，两个压敏电阻器共同承担工作电压，即可达到应有的保护水平；但是一旦遇到冲击放电电流过大，残压超过应有的保护水平时，冲击残压使气体放电管导通短接第二个压敏电阻器，此时系统的残压将由第一个压敏电阻器决定，残压将大大降低。
然而，压敏电阻器并联气体放电管的前提是，压敏电阻器的V1mA值必须略大于等于气体放电管的直流点火电压，因为当压敏电阻器的V1mA值过低，则气体放电管有可能在暂态过电压作用期间不会放电导通，如果这样的话，过电压的所有能量将还由压敏电阻器来泄放，这对压敏电阻器是不利的。
1.2 压敏电阻器与气体放电管并联
单一的压敏电阻器与气体放电管并联（如图2），虽然可以有效的克服压敏电阻器在通过大电流后其自身性能的劣化。在气体放电管尚未放电导通之前，压敏电阻器已开始工作，对暂态过电压进行钳位，泄放大电流，当气体放电管导通后，它将与压敏电阻器进行并联分流，以减小压敏电阻器的通流压力，从而缩短了压敏电阻器通过大电流的时间，有助于减缓压敏电阻器的性能的劣化。但是同样存在上述参考电压的选择。
1.3 压敏电阻器与气体放电管串联
如果压敏电阻器与气体放电管串联，气体放电管起到一个开关的作用，放电瞬时的残压略有降低（如示意图3）。
2 分析与讨论
以上试验结果简单的可以说明：压敏电阻器与气体放电管串联，在不影响压敏保护水平的前提下，可略降低V1mA值，一方面气体放电管可以阻断系统正常工作时压敏中的泄漏电流，减缓压敏电阻器的性能的劣化；另一方面利用压敏电阻器响应速度快、非线性特性好、通流容量大等诸多优点，及时对电气设备进行保护，杜绝气体放电管放电时的续流问题、动作灵敏度问题、以及对于波头上升陡度较大的雷电波难以有效地抑制等问题，即气体放电管使压敏电阻器的荷电率为零，压敏电阻器的非线性特性又使气体放电管动作后立即熄弧，无续流、动作负载轻、耐重复动作能力强，气体放电管不再承担灭弧任务；此外，从降低残压的角度讲，压敏V1mA值越低残压越低，但从压敏切断气体放电管续流角度讲（如果电源馈电电流可以维持气体放电管辉光放电，而馈电电压大于气体放电管辉光放电电压时，气体放电管将难以自动灭弧。），则压敏V1mA值越高越好，这是因为在气体放电管至辉光放电过程中交流正弦波形发生改变，在短时间内限制了电压及减少了能量（以34mm×34mm方片，V1mA=620V，600V气体放电管为例），同时开始断断续续为压敏电阻器提供几十个毫安的电流，此时，针对气体放电管压敏电阻器因高阻值而成为一个“限流”元件，压敏电阻器也因晶界开始击穿，同时阻值发生变化，此时可分担180V左右的电压，而维持气体放电管辉光放电所需电压为70~150V。
压敏电阻器与气体放电管并联，虽说在气体放电管导通后，可对压敏电阻器进行并联分流，以减小压敏电阻器的通流压力，但是将V1mA值选择过低，当系统出现暂态过电压侵害，气体放电管有可能不会被压敏电阻器的冲击残压点火导通，如果这样的话，系统中过电压的所有能量将由压敏电阻器来泄放，这将对压敏电阻器是一种考验。如果将V1mA值选择略大于等于气体放电管的直流点火电压，即压敏电阻器的冲击残压略大于等于气体放电管的直流点火电压，将有助于减缓压敏电阻器的性能的劣化，但是不会达到降低残压的目的。不过，这时压敏电阻器和气体放电管上流过的电流于其自身的有效电阻成反比，符合欧姆定律。其次，采用这样的配合并不可能解决气体放电管放电时的续流问题，更不宜应用于交流电源系统的保护。
压敏电阻器与气体放电管串并联，也存在V1mA电压值的选择，V1mA值选择过低，将会出现上述压敏电阻器与气体放电管串联的情况，而且暂态过电压的所有能量将还由压敏电阻器来泄放，这对压敏电阻器是不利的。所以只有将V1mA值选择略大于等于气体放电管的直流点火电压，系统正常情况时，串联的两个压敏电阻器共同承担工作电压，达到应有的保护，在遭到冲击放电电流过大时，第一个压敏电阻器的冲击残压使气体放电管导通短接第二个压敏电阻器，相对而言，一旦气体放电管导通，此时的情况将同第一个压敏电阻器与气体放电管串联，这样的话，系统的残压将由第一个压敏电阻器决定，残压将大幅度降低。
3 结论
⑴ 应用压敏电阻器与气体放电管串并联，在压敏电阻器的V1mA值略大于等于气体放电管的直流点火电压时，残压将大大降低，而且减缓了压敏电阻器的性能劣化；
⑵ 采用压敏电阻器与气体放电管并联，当气体放电管导通后，不但减小了压敏电阻器的通流压力，而且缩短了压敏电阻器通过大电流的时间，减缓了压敏电阻器的性能的劣化，但对残压的影响不大；
⑶ 压敏电阻器与气体放电管串联，由于串联间隙击穿电压在不同操作波形下的离散性，有可能导致保护可靠性的降低或保护失败。但是，气体放电管起到一个开关的作用，当没有暂态过电压作用时，它能将压敏电阻器与整个系统完全隔离，即没有泄漏电流，同样能减缓压敏电阻器的性能的劣化，参数选择得当对残压有一定的影响。
参考文献
[1] 苏邦礼， 等.雷电与避雷工程. 广州:中山大学出版社，1996
[2] GB 50057-94.《建筑物防雷设计规范》
[3] GB/T 9043-1999.通信设备过电压保护用气体放电管通用技术条件
随着国民经济的飞速发展，国家对铁路及电力系统投资规模不断扩大，有线电视放大器、CB传输器、家用娱乐系统、电脑等类似设备日益增多，经常有可能接触到电网所感应的过电压侵入电力系统损坏电气设备。作为过电压防护的元器件，无疑为氧化锌压敏电阻器提供了极为广泛的应用空间。但是氧化锌压敏电阻器在大幅值8/20μs电流波冲击下的残压过高，而且，随着8/20μs电流波越大操作残压越高，不时地超过了设备绝缘耐受值，从而发生绝缘击穿损坏电气设备。
因此，深入探究氧化锌压敏电阻器与气体放电管相互之间的配合使用，将是人们引以关注的问题。
1 配合使用的具体方式
1.1 压敏电阻器与气体放电管串并联
应用压敏电阻器与气体放电管串并联，其目的就是降低大幅值8/20μs电流波冲击下的残压。将两个压敏电阻器串联，在后一个压敏电阻器上并联一个气体放电管（如图1）。正常情况下，两个压敏电阻器共同承担工作电压，即可达到应有的保护水平；但是一旦遇到冲击放电电流过大，残压超过应有的保护水平时，冲击残压使气体放电管导通短接第二个压敏电阻器，此时系统的残压将由第一个压敏电阻器决定，残压将大大降低。
然而，压敏电阻器并联气体放电管的前提是，压敏电阻器的V1mA值必须略大于等于气体放电管的直流点火电压，因为当压敏电阻器的V1mA值过低，则气体放电管有可能在暂态过电压作用期间不会放电导通，如果这样的话，过电压的所有能量将还由压敏电阻器来泄放，这对压敏电阻器是不利的。
1.2 压敏电阻器与气体放电管并联
单一的压敏电阻器与气体放电管并联（如图2），虽然可以有效的克服压敏电阻器在通过大电流后其自身性能的劣化。在气体放电管尚未放电导通之前，压敏电阻器已开始工作，对暂态过电压进行钳位，泄放大电流，当气体放电管导通后，它将与压敏电阻器进行并联分流，以减小压敏电阻器的通流压力，从而缩短了压敏电阻器通过大电流的时间，有助于减缓压敏电阻器的性能的劣化。但是同样存在上述参考电压的选择。
1.3 压敏电阻器与气体放电管串联
如果压敏电阻器与气体放电管串联，气体放电管起到一个开关的作用，放电瞬时的残压略有降低（如示意图3）。
2 分析与讨论
以上试验结果简单的可以说明：压敏电阻器与气体放电管串联，在不影响压敏保护水平的前提下，可略降低V1mA值，一方面气体放电管可以阻断系统正常工作时压敏中的泄漏电流，减缓压敏电阻器的性能的劣化；另一方面利用压敏电阻器响应速度快、非线性特性好、通流容量大等诸多优点，及时对电气设备进行保护，杜绝气体放电管放电时的续流问题、动作灵敏度问题、以及对于波头上升陡度较大的雷电波难以有效地抑制等问题，即气体放电管使压敏电阻器的荷电率为零，压敏电阻器的非线性特性又使气体放电管动作后立即熄弧，无续流、动作负载轻、耐重复动作能力强，气体放电管不再承担灭弧任务；此外，从降低残压的角度讲，压敏V1mA值越低残压越低，但从压敏切断气体放电管续流角度讲（如果电源馈电电流可以维持气体放电管辉光放电，而馈电电压大于气体放电管辉光放电电压时，气体放电管将难以自动灭弧。），则压敏V1mA值越高越好，这是因为在气体放电管至辉光放电过程中交流正弦波形发生改变，在短时间内限制了电压及减少了能量（以34mm×34mm方片，V1mA=620V，600V气体放电管为例），同时开始断断续续为压敏电阻器提供几十个毫安的电流，此时，针对气体放电管压敏电阻器因高阻值而成为一个“限流”元件，压敏电阻器也因晶界开始击穿，同时阻值发生变化，此时可分担180V左右的电压，而维持气体放电管辉光放电所需电压为70~150V。
压敏电阻器与气体放电管并联，虽说在气体放电管导通后，可对压敏电阻器进行并联分流，以减小压敏电阻器的通流压力，但是将V1mA值选择过低，当系统出现暂态过电压侵害，气体放电管有可能不会被压敏电阻器的冲击残压点火导通，如果这样的话，系统中过电压的所有能量将由压敏电阻器来泄放，这将对压敏电阻器是一种考验。如果将V1mA值选择略大于等于气体放电管的直流点火电压，即压敏电阻器的冲击残压略大于等于气体放电管的直流点火电压，将有助于减缓压敏电阻器的性能的劣化，但是不会达到降低残压的目的。不过，这时压敏电阻器和气体放电管上流过的电流于其自身的有效电阻成反比，符合欧姆定律。其次，采用这样的配合并不可能解决气体放电管放电时的续流问题，更不宜应用于交流电源系统的保护。
压敏电阻器与气体放电管串并联，也存在V1mA电压值的选择，V1mA值选择过低，将会出现上述压敏电阻器与气体放电管串联的情况，而且暂态过电压的所有能量将还由压敏电阻器来泄放，这对压敏电阻器是不利的。所以只有将V1mA值选择略大于等于气体放电管的直流点火电压，系统正常情况时，串联的两个压敏电阻器共同承担工作电压，达到应有的保护，在遭到冲击放电电流过大时，第一个压敏电阻器的冲击残压使气体放电管导通短接第二个压敏电阻器，相对而言，一旦气体放电管导通，此时的情况将同第一个压敏电阻器与气体放电管串联，这样的话，系统的残压将由第一个压敏电阻器决定，残压将大幅度降低。
3 结论
⑴ 应用压敏电阻器与气体放电管串并联，在压敏电阻器的V1mA值略大于等于气体放电管的直流点火电压时，残压将大大降低，而且减缓了压敏电阻器的性能劣化；
⑵ 采用压敏电阻器与气体放电管并联，当气体放电管导通后，不但减小了压敏电阻器的通流压力，而且缩短了压敏电阻器通过大电流的时间，减缓了压敏电阻器的性能的劣化，但对残压的影响不大；
⑶ 压敏电阻器与气体放电管串联，由于串联间隙击穿电压在不同操作波形下的离散性，有可能导致保护可靠性的降低或保护失败。但是，气体放电管起到一个开关的作用，当没有暂态过电压作用时，它能将压敏电阻器与整个系统完全隔离，即没有泄漏电流，同样能减缓压敏电阻器的性能的劣化，参数选择得当对残压有一定的影响。
参考文献
[1] 苏邦礼， 等.雷电与避雷工程. 广州:中山大学出版社，1996
[2] GB 50057-94.《建筑物防雷设计规范》
[3] GB/T 9043-1999.通信设备过电压保护用气体放电管通用技术条件
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