关于开关型电涌保护器在低压配电系统使用的探讨
2008-11-07 15:04:06
来源：《半导体器件应用》2008年11月刊
1 前言
目前防雷市场上使用在第一级的电涌保护器（SPD），有相当一部分是开关型电涌保护器。尽管开关型电涌保护器有通流能力大、残压低和使用寿命长等优点，但是由于开关型电涌保护器存在后续电流和点火电压过高等问题，使得开关型电涌保护器易出现燃烧、爆炸和不动作等事故和问题，特别是在通信行业造成了不良影响。由于开关型电涌保护器存在续流问题，所以许多行业（特别是通信行业）对开关型电涌保护器都采取了一些限制使用措施。但是，我们通过近一年的时间，对开关型电涌保护器的元器件、关键电路进行了研究和改进，发现通过对元器件的更新和对电涌保护器的电路改进，可以使开关型电涌保护器做到在低压配电系统使用，当发生雷击响应时无续流产生，并且通过试验进行了验证。下面，将通过相关的技术要点和试验数据对开关型电涌保护器在低压配电系统使用的问题进行探讨。
2 满足开关型电涌保护器在低压 电源系统使用的必备条件
开关型电涌保护器要能够在低压配电系统安全运行，首先要选择满足运行技术条件的核心元器件。目前市场上使用的开关型电涌保护器主要元器件有三种：大通流陶瓷气体放电管、金属间隙、石墨间隙。
(1) 采用大通流陶瓷气体放电管制作的开关型电涌保护器，由于放电管的弧光压降比较低，一般都无法切断续流。尽管有人采用多个放电管串联，提高弧光压降，目前也只在 150V 左右，这样，对于交流系统在电压过零点的时候，是可以切断续流的，但是，如果是直流系统，则续流还是无法切断。图 1 是放电管在线冲击的电网波形图。
从图 1 可以看出，当放电管动作时，由于续流无法切断，造成空开跳闸。
(2) 采用空气间隙制作的开关型电涌保护器，电极是采用特殊金属材料制作的，将两个电极的中间距离调整一个适当值，当电极两端的电压达到某个电压值时，电极间的空气发生击穿，使高压通过弧光放电把过电压泄放到大地。电涌保护器尽管采用了磁吹的方式进行灭弧处理，这种方式只有在电源容量比较小、电源内阻大的情况下才有能够灭弧。但该电涌保护器一般都安装在电源的第一级，由于电源的能量很大，电涌保护器一般都会产生很大的续流，有时甚至会向外喷火，易造成爆炸和燃烧事故。在线冲击的电网波形也如图 1 所示。
(3) 采用石墨间隙制作的开关型电涌保护器是在绝缘壳体内嵌入多层石墨电极，在石墨电极之间隔出空气间隙，从两端引出金属电极制作的间隙电涌保护器。石墨间隙电涌保护器具有通流能力较强、启动电压低（≤2000V）、残压低、无续流等特点。石墨间隙电涌保护器虽然具备上述的优点，但对石墨电极的加工制作的工艺要求很高，如果处理不好，当承受较大雷电流冲击时，将会发生石墨电极断裂和石墨层脱落的现象，造成电涌保护器炸裂或短路，发生电涌保护器失效和电源短路事故。另外，电涌保护器空气间隙的击穿电压也会随着环境温度的变化发生改变。在线冲击的电网波形也如图 1 所示。
从上面三组试验情况来看，除了材料自身原因外，造成电网事故的主要原因就是电涌保护器动作以后，由于弧光电压比较低，致使工频电流通过电涌保护器对地泄放，发生电涌保护器的燃烧、爆炸和电网跳闸等事故。因此，我们可以这样认为：开关型电涌保护器要想在交流电网上使用，就必须解决电涌保护器的续流问题，而解决续流的关键，就是如何提高电涌保护器的弧光电压。然而，提高弧光电压的关键就是看所选用的元器件自身能否满足技术要求。
3 开关型电涌保护器的元器件选择
既然确定了元器件是实现开关型电涌保护器无续流的关键，我们不妨从元器件的选择入手。与国内放电管制造商经过近一年时间的努力，设计研发了一种新型放电管—叠层放电管，该产品采用特殊工艺制造，是在一个封闭磁环内同时加工成三个气体放电管，具有通流能力强（8/20μs 波形 100kA，10/350μs 波形 50kA）、弧光低压高（≥350V）、电气性能稳定等特点。通过大量试验和分析，我们可以看到以下结果。
3.1叠层放电管的大通流冲击试验结果
通过对叠层放电管实施 8/20μs 波形 50-100kA，10/350μs 波形 25-50kA（国家检测中心）冲击试验。在科通实验室用 8/20μs 波形试验台进行 50kA、100kA 冲击，经过 5 次 25kA、2 次 50kA 冲击后；国家防雷产品检测中心用 10/350μs 波形试验台进行 25kA、50kA 冲击，经过 5 次 25kA、2 次 50kA 冲击后，叠层放电管没有发生炸裂和短路的现象。由此可见，叠层放电管在通流能力方面是可以满足设计要求的。图 2、图 3 是冲击试验的波形图。
3.2 叠层放电管的在线冲击试验结果
叠层放电管的在线冲击试验是在国家防雷产品检测中心进行的，采用的是 8/20μs 波形 25kA 冲击加工频电流 1500A，经过连续变换相位从 0~360 度施加冲击电压，叠层放电管始终没有续流产生，图 4、图 5 是叠层放电管的在线冲击试验波形：
从图 4、图 5 的波形图上我们可以清楚的看到，当叠层放电管受到雷电流冲击时，在交流电网正弦波上明显变化的波形，但是只在一瞬间电网就恢复了正常。这说明当叠层放电管动作时，对电网完全没有产生影响。
3.3 叠层放电管在实际应用中的问题
叠层放电管尽管在耐冲击能力和无续流方面满足了产品的应用要求，但是，在实际使用时，由于叠层放电管的冲击点火电压比较高，如果单独使用可能会出现发生雷击时不动作。以 220V 电源系统使用的叠层放电管为例：该放电管的直流击穿电压在 2500V 左右，采用 1.2/50μs 波形 6kV 冲击时，冲击点火电压为 4600V 左右；采用 8/20μs 波形 10kA 冲击时，冲击点火电压为 2700V 左右。图 6、图 7 为试验波形图。
从以上分析来看，单独采用叠层放电管制作开关型电涌保护器是存在问题的，如何使用叠层放电管制造出性能优良的开关型电涌保护器，在下面做简单的介绍。
4 新型开关型电涌保护器的制作
既然单独采用叠层放电管制作开关型电涌保护器存在点火电源过高的问题，就从叠层放电管的点火电路入手，解决叠层放电管的点火问题。以下是两种通过试验证明可行的点火电路：
4.1 采用电子点火电路
在叠层放电管的中间引出点火电极，然后将点火电路的三个接点分别连接到叠层放电管的上下电极和点火电极上，具体电路如图 8 所示。
当雷击高电压从接点 1 侵入进来以后，在 G1 两端的电感上产生了较高的感应电势，然后在互感器的高压端产生一个更高的感应电压将叠层放电管的其中 2-3 层击穿，在利用 Rv1 上的残压将叠层放电管其他未击穿的层次击穿，从而使得整个叠层放电管导通，对地泻放雷电电流。当工频电流从接点 1 引入进来时，由 Rv1 进行阻断，避免点火电路被烧坏。
使用电子点火装置以后，可以准确地控制和调整叠层放电管的启动电压，可靠地保护后续设备。点火电路需要根据在不同电压等级的电网使用进行不同的设计，并且需要精选元件进行制作，确保点火电路在遭受雷击时不被损坏。图 9 和图 10 是叠层放电管没有采用点火电路和采用点火电路在 1.2/50 μs、6kV 冲击下的试验波形。
图 11 和图 12 是叠层放电管没有采用点火电路和采用点火电路在 8/20μs 20kA 冲击下的试验波形。
根据以上试验进行分析，不带点火电路的叠层放电管的冲击点火电压比带点火电路的叠层放电管的冲击点火电压高出 2 倍以上。由此可见，采用点火电路以后，可以大大降低叠层放电管的点火电压，从而满足实际使用的条件。
4.2 采用 MOV 直接点火
选用合适电压等级和通流能力的 MOV，根据不同电网的实际要求与叠层放电管进行并接也同样可以实现叠层放电管的低点火电压启动。由于采用 MOV 直接点火的方式比较简单，在这里就不做详细介绍。只是在 MOV 的选型上，特别要注意启动电压、通流容量与实际使用的电路需要良好的配合，否则，将会导致开关型电涌保护器的故障和失效。
5 新型开关型电涌保护器与 MOV 的配合使用
目前，开关型电涌保护器主要应用在配电系统的前端进行保护，尽管开关型电涌保护器具有通流能力强、残压低等优点，但是，开关型电涌保护器的响应时间比限压型电涌保护器慢很多，所以，许多国外品牌的开关型电涌保护器都采用了与 MOV 配合使用的模式，通称为 B+C 型电涌保护器。我们通过试验对此进行了验证。图 13 和图 14 示出试验波形图。
以上试验波形图来看，用 8/20μs 20kA 单独冲击开关型电涌保护器时（见图 13），在波头前沿大约有 100~200ns 的响应时间间隔，这就是陶瓷气体放电管的响应特性。当开关型电涌保护器与 MOV 配合使用时，就可以把两者的优点充分体现出来（如图 14 所示）。冲击的波头由 MOV 响应，后续的电流能量由开关型电涌保护器充分进行释放，得到良好的保护效果。
6 结论
通过以上的试验分析，认为只要彻底解决开关型电涌保护器的续流问题，就可以使其在低压系统防雷中起到良好的保护作用。因为产品目前还缺乏实际应用的案例，单靠试验数据还可能会出现一些问题，所以特地编写此文章供大家分析讨论，希望能够得到专家们的宝贵意见。
目前防雷市场上使用在第一级的电涌保护器（SPD），有相当一部分是开关型电涌保护器。尽管开关型电涌保护器有通流能力大、残压低和使用寿命长等优点，但是由于开关型电涌保护器存在后续电流和点火电压过高等问题，使得开关型电涌保护器易出现燃烧、爆炸和不动作等事故和问题，特别是在通信行业造成了不良影响。由于开关型电涌保护器存在续流问题，所以许多行业（特别是通信行业）对开关型电涌保护器都采取了一些限制使用措施。但是，我们通过近一年的时间，对开关型电涌保护器的元器件、关键电路进行了研究和改进，发现通过对元器件的更新和对电涌保护器的电路改进，可以使开关型电涌保护器做到在低压配电系统使用，当发生雷击响应时无续流产生，并且通过试验进行了验证。下面，将通过相关的技术要点和试验数据对开关型电涌保护器在低压配电系统使用的问题进行探讨。
2 满足开关型电涌保护器在低压 电源系统使用的必备条件
开关型电涌保护器要能够在低压配电系统安全运行，首先要选择满足运行技术条件的核心元器件。目前市场上使用的开关型电涌保护器主要元器件有三种：大通流陶瓷气体放电管、金属间隙、石墨间隙。
(1) 采用大通流陶瓷气体放电管制作的开关型电涌保护器，由于放电管的弧光压降比较低，一般都无法切断续流。尽管有人采用多个放电管串联，提高弧光压降，目前也只在 150V 左右，这样，对于交流系统在电压过零点的时候，是可以切断续流的，但是，如果是直流系统，则续流还是无法切断。图 1 是放电管在线冲击的电网波形图。
从图 1 可以看出，当放电管动作时，由于续流无法切断，造成空开跳闸。
(2) 采用空气间隙制作的开关型电涌保护器，电极是采用特殊金属材料制作的，将两个电极的中间距离调整一个适当值，当电极两端的电压达到某个电压值时，电极间的空气发生击穿，使高压通过弧光放电把过电压泄放到大地。电涌保护器尽管采用了磁吹的方式进行灭弧处理，这种方式只有在电源容量比较小、电源内阻大的情况下才有能够灭弧。但该电涌保护器一般都安装在电源的第一级，由于电源的能量很大，电涌保护器一般都会产生很大的续流，有时甚至会向外喷火，易造成爆炸和燃烧事故。在线冲击的电网波形也如图 1 所示。
(3) 采用石墨间隙制作的开关型电涌保护器是在绝缘壳体内嵌入多层石墨电极，在石墨电极之间隔出空气间隙，从两端引出金属电极制作的间隙电涌保护器。石墨间隙电涌保护器具有通流能力较强、启动电压低（≤2000V）、残压低、无续流等特点。石墨间隙电涌保护器虽然具备上述的优点，但对石墨电极的加工制作的工艺要求很高，如果处理不好，当承受较大雷电流冲击时，将会发生石墨电极断裂和石墨层脱落的现象，造成电涌保护器炸裂或短路，发生电涌保护器失效和电源短路事故。另外，电涌保护器空气间隙的击穿电压也会随着环境温度的变化发生改变。在线冲击的电网波形也如图 1 所示。
从上面三组试验情况来看，除了材料自身原因外，造成电网事故的主要原因就是电涌保护器动作以后，由于弧光电压比较低，致使工频电流通过电涌保护器对地泄放，发生电涌保护器的燃烧、爆炸和电网跳闸等事故。因此，我们可以这样认为：开关型电涌保护器要想在交流电网上使用，就必须解决电涌保护器的续流问题，而解决续流的关键，就是如何提高电涌保护器的弧光电压。然而，提高弧光电压的关键就是看所选用的元器件自身能否满足技术要求。
3 开关型电涌保护器的元器件选择
既然确定了元器件是实现开关型电涌保护器无续流的关键，我们不妨从元器件的选择入手。与国内放电管制造商经过近一年时间的努力，设计研发了一种新型放电管—叠层放电管，该产品采用特殊工艺制造，是在一个封闭磁环内同时加工成三个气体放电管，具有通流能力强（8/20μs 波形 100kA，10/350μs 波形 50kA）、弧光低压高（≥350V）、电气性能稳定等特点。通过大量试验和分析，我们可以看到以下结果。
3.1叠层放电管的大通流冲击试验结果
通过对叠层放电管实施 8/20μs 波形 50-100kA，10/350μs 波形 25-50kA（国家检测中心）冲击试验。在科通实验室用 8/20μs 波形试验台进行 50kA、100kA 冲击，经过 5 次 25kA、2 次 50kA 冲击后；国家防雷产品检测中心用 10/350μs 波形试验台进行 25kA、50kA 冲击，经过 5 次 25kA、2 次 50kA 冲击后，叠层放电管没有发生炸裂和短路的现象。由此可见，叠层放电管在通流能力方面是可以满足设计要求的。图 2、图 3 是冲击试验的波形图。
3.2 叠层放电管的在线冲击试验结果
叠层放电管的在线冲击试验是在国家防雷产品检测中心进行的，采用的是 8/20μs 波形 25kA 冲击加工频电流 1500A，经过连续变换相位从 0~360 度施加冲击电压，叠层放电管始终没有续流产生，图 4、图 5 是叠层放电管的在线冲击试验波形：
从图 4、图 5 的波形图上我们可以清楚的看到，当叠层放电管受到雷电流冲击时，在交流电网正弦波上明显变化的波形，但是只在一瞬间电网就恢复了正常。这说明当叠层放电管动作时，对电网完全没有产生影响。
3.3 叠层放电管在实际应用中的问题
叠层放电管尽管在耐冲击能力和无续流方面满足了产品的应用要求，但是，在实际使用时，由于叠层放电管的冲击点火电压比较高，如果单独使用可能会出现发生雷击时不动作。以 220V 电源系统使用的叠层放电管为例：该放电管的直流击穿电压在 2500V 左右，采用 1.2/50μs 波形 6kV 冲击时，冲击点火电压为 4600V 左右；采用 8/20μs 波形 10kA 冲击时，冲击点火电压为 2700V 左右。图 6、图 7 为试验波形图。
从以上分析来看，单独采用叠层放电管制作开关型电涌保护器是存在问题的，如何使用叠层放电管制造出性能优良的开关型电涌保护器，在下面做简单的介绍。
4 新型开关型电涌保护器的制作
既然单独采用叠层放电管制作开关型电涌保护器存在点火电源过高的问题，就从叠层放电管的点火电路入手，解决叠层放电管的点火问题。以下是两种通过试验证明可行的点火电路：
4.1 采用电子点火电路
在叠层放电管的中间引出点火电极，然后将点火电路的三个接点分别连接到叠层放电管的上下电极和点火电极上，具体电路如图 8 所示。
当雷击高电压从接点 1 侵入进来以后，在 G1 两端的电感上产生了较高的感应电势，然后在互感器的高压端产生一个更高的感应电压将叠层放电管的其中 2-3 层击穿，在利用 Rv1 上的残压将叠层放电管其他未击穿的层次击穿，从而使得整个叠层放电管导通，对地泻放雷电电流。当工频电流从接点 1 引入进来时，由 Rv1 进行阻断，避免点火电路被烧坏。
使用电子点火装置以后，可以准确地控制和调整叠层放电管的启动电压，可靠地保护后续设备。点火电路需要根据在不同电压等级的电网使用进行不同的设计，并且需要精选元件进行制作，确保点火电路在遭受雷击时不被损坏。图 9 和图 10 是叠层放电管没有采用点火电路和采用点火电路在 1.2/50 μs、6kV 冲击下的试验波形。
图 11 和图 12 是叠层放电管没有采用点火电路和采用点火电路在 8/20μs 20kA 冲击下的试验波形。
根据以上试验进行分析，不带点火电路的叠层放电管的冲击点火电压比带点火电路的叠层放电管的冲击点火电压高出 2 倍以上。由此可见，采用点火电路以后，可以大大降低叠层放电管的点火电压，从而满足实际使用的条件。
4.2 采用 MOV 直接点火
选用合适电压等级和通流能力的 MOV，根据不同电网的实际要求与叠层放电管进行并接也同样可以实现叠层放电管的低点火电压启动。由于采用 MOV 直接点火的方式比较简单，在这里就不做详细介绍。只是在 MOV 的选型上，特别要注意启动电压、通流容量与实际使用的电路需要良好的配合，否则，将会导致开关型电涌保护器的故障和失效。
5 新型开关型电涌保护器与 MOV 的配合使用
目前，开关型电涌保护器主要应用在配电系统的前端进行保护，尽管开关型电涌保护器具有通流能力强、残压低等优点，但是，开关型电涌保护器的响应时间比限压型电涌保护器慢很多，所以，许多国外品牌的开关型电涌保护器都采用了与 MOV 配合使用的模式，通称为 B+C 型电涌保护器。我们通过试验对此进行了验证。图 13 和图 14 示出试验波形图。
以上试验波形图来看，用 8/20μs 20kA 单独冲击开关型电涌保护器时（见图 13），在波头前沿大约有 100~200ns 的响应时间间隔，这就是陶瓷气体放电管的响应特性。当开关型电涌保护器与 MOV 配合使用时，就可以把两者的优点充分体现出来（如图 14 所示）。冲击的波头由 MOV 响应，后续的电流能量由开关型电涌保护器充分进行释放，得到良好的保护效果。
6 结论
通过以上的试验分析，认为只要彻底解决开关型电涌保护器的续流问题，就可以使其在低压系统防雷中起到良好的保护作用。因为产品目前还缺乏实际应用的案例，单靠试验数据还可能会出现一些问题，所以特地编写此文章供大家分析讨论，希望能够得到专家们的宝贵意见。
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