組合型SPD器件參數配合的效應試驗研究

郭在華， 何錫汶， 田艷茹

(1.成都信息工程大學電子工程學院，四川成都610225;2.北京雷電防護裝置測試中心，北京100176)

0 引言

在低壓配電系統中，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］驗證了在敏感設備的前面安裝組合型浪涌保護器，第一級保護器可以將絕大部分電流泄放掉，并吸收大部分過電壓能量，在第二級保護器處進一步降低電壓確保被保護設備的安全不受暫態過電壓損壞。孟梅等［2］指出開關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器的時間，這有助于延緩浪涌保護器老化劣化的速度。

以上的研究成果已經證明開關型器件與限壓型器件的配合在電子信息及信號系統防護中有著明顯的優勢，但對于組合型SPD目前既沒有對兩種類型的器件選擇有明確的標準，也沒有對配合過程中各性能工作情況進行具體的分析。針對這一問題，對不同參數的開關型和限壓型器件進行配合形成組合型SPD，并利用復合波發生器對其沖擊測試，對兩者產生最佳配合選擇條件和沖擊后SPD殘壓變化做出詳細的分析。

1 氣體放電管與壓敏電阻能量配合關鍵要素

氣體放電管與壓敏電阻的配合原理圖如圖1所示。在實際防雷保護中，氣體放電管與壓敏電阻的有效配合能夠將SPD的通流能力大大提升、過電壓沖擊后限制電壓會更低以及延緩元器件的老化劣化這幾個優勢。因此，兩者能量配合的關鍵點如下:

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:使用復合波發生器對組合型SPD沖擊試驗。SPD中的氣體放電管和壓敏電阻應采取高-低配合的方式，即氣體放電管的沖擊擊穿電壓應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:在第一級與第二級器件之間加入退耦元件可以起到以下幾點優勢:雷電波由于線路上加入退耦元件會導致傳輸速度會降低;在電流一定的情況下，線路波阻抗增加導致線路電壓增加，有利于第一級開關型器件的提前啟動;雷電波通過退耦元件后，波頭的上升陡度會降低;線路中加入退耦元件等于延長了導線的長度，使得雷電波在該段線路上的傳輸時間更長，從而第一級器件的響應時間更長。

(3)氣體放電管與壓敏電阻配合時所需過電壓幅值:氣體放電管與壓敏電阻參數固定后，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，但隨著電壓幅值的增加，氣體放電管不斷泄放能量。當電壓幅值增加到氣體放電管能夠泄放絕大部分能量時，可將此時定義為氣體放電管與壓敏電阻完全配合。在試驗中發現，不同參數的開關型器件與限壓型器件的配合，要達到兩者完全配合所需的過電壓幅值是不同的，這表明要根據使用環境和被保護設備的耐受能力選擇不同參數的氣體放電管和壓敏電阻進行配合，以此達到防護過電壓的目的。

2 復合波的參數及沖擊測試程序

2．1 復合波的參數及誤差范圍

復合波發生器的標準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。開路電壓的波前時間為1.2 μs，半峰值時間為50 μs;短路電流的波前時間為8 μs，半峰值時間為20 μs。開路電壓的峰值和短路電流的峰值為20 kV和10 kA。復合波參數誤差如表1所示。

表1 復合波參數允許誤差

2．2 復合波沖擊SPD的試驗程序

復合波沖擊SPD的試驗程序步驟:復合波發生器的高低壓端分別施加在SPD的正負極上;設定好復合波發生器的沖擊電壓幅值，每種幅值對SPD施加4次沖擊，正負極性各2次;每次沖擊的間隔時間應足以使試驗樣品冷卻到環境溫度;每次沖擊時用示波器記錄從發生器流經SPD的電流值，沖擊后用示波器記錄SPD輸出端口的殘壓值。

3 試驗設計及內容

3．1 試驗內容

試驗目的在于探究過電壓幅值沖擊對不同參數的開關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和過電壓沖擊后SPD殘壓的變化趨勢的影響。在試驗樣品方面，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。所有樣品經靜態參數測試儀測量后誤差均處在允許范圍以內。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。沖擊設備使用復合波發生器模擬不同幅值的電壓波形進行沖擊測試。

3．2 試驗方案

試驗使用復合波發生器對SPD沖擊測試，并在SPD末端夾入測量探頭進行殘壓采樣。試驗中復合波的沖擊幅值由1 kV開始，每隔0.5 kV遞增直至10 kV，每次沖擊的時間間隔為5 min。通過示波器顯示的殘壓波形和數值探究過電壓幅值沖擊對不同參數的開關型和限壓型器件之間配合的影響。試驗重復4次，正負極性各2次，試驗數據為正極性2次沖擊數值的平均值。

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。試驗中GDT兩端夾入測量探頭且在電路中串入1 V/0.0797 A的分流器采集流經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，試驗間隔為5 min。試驗重復4次，正負極性各2次，試驗數據為正極性2次沖擊數值的平均值。

4 試驗數據及其分析

4．1 氣體放電管與壓敏電阻完全配合所需電壓幅值

所有試品經復合波發生器沖擊后，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“×”表示不符合復合波雷電流所需的高-低配合方式，符號“”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致其老化劣化并損壞。

通過上表2數據分析得出，當固定壓敏電阻的壓敏電壓時，氣體放電管的沖擊擊穿電壓參數取的越高，達到兩者完全配合所需過電壓幅值就越大;當固定氣體放電管沖擊擊穿電壓時，壓敏電阻的壓敏電壓參數取的越小，達到兩者完全配合所需的過電壓幅值反而越小，越容易進入完全配合階段。

但在實際應用中，MOV與GDT的配合并不能只關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達到擊穿沖擊電壓值，同時MOV也達到壓敏電壓值，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，是一個不完全配合的階段。因此，還探究過電壓幅值大小對不完全配合階段的影響，以此通過這兩個方面的綜合分析，總結出開關型器件與限壓型器件配合的最優選擇方案。

4．2 探究不完全配合階段沖擊電流對兩者配合的影響

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系。針對這個問題，試驗中通過每一次過電壓沖擊SPD時采集氣體放電管中是否流經電流判斷此時SPD是否進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表明當固定MOV壓敏電壓時，要達到不完全配合階段所需的過電壓幅值會隨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GDT的沖擊擊穿電壓為800 V時，沖擊電壓為4 kV兩者就能達到不完全配合階段，而若選擇GDT沖擊擊穿電壓為1000 V做配合，達到不完全配合階段的沖擊電壓則需要4.8 kV。再根據表2得出固定MOV壓敏電壓時，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，當固定MOV壓敏電壓時，應當選擇離MOV壓敏電壓相近的GDT做能量配合。

當固定GDT沖擊擊穿電壓時，通過表3發現GDT的沖擊擊穿電壓與MOV的壓敏電壓值越接近，兩者達到不完全配合階段就越容易。例如當GDT的沖擊擊穿電壓為1000 V時，壓敏電壓為681 V的MOV與之配合，所需的沖擊電壓為2.8 kV就進入不完全配合階段，而選擇壓敏電壓為471 V的MOV時，所需的沖擊電壓為4.8 kV進入不完全配合階段。因此當固定GDT的沖擊擊穿電壓，也應該選擇與之電壓接近的MOV做配合。

但表2結論中表明MOV壓敏電壓與GDT沖擊擊穿電壓兩者數值相差越大，達到完全配合階段所需的過電壓幅值越低。那么當固定GDT的沖擊擊穿電壓時，限壓型器件是選擇較低MOV的壓敏電壓更早進入完全配合階段，還是選擇較高MOV的壓敏電壓更早進入不完全配合階段?通過比較不完全配合階段的區間范圍來說明。

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

因此綜合表2和表3數據分析，無論是固定GDT的沖擊擊穿電壓或者固定MOV的壓敏電壓，都應該選擇與之電壓相近的元件進行配合，通過試驗數據，橫向縱向對比得出的結論。

4．3 氣體放電管通流容量變化的突變性

試驗使用壓敏電壓為681 V的壓敏電阻片與沖擊擊穿電壓為1000 V氣體放電管進行配合，使用1.2/50 μs復合波發生器沖擊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。

表4 組合型SPD中GDT通流容量數值及其所占總電流比例

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

在配合失效階段，GDT的電流數值始終為0，后端MOV承受了全部電流，這個結果是因為MOV的啟動速度要比GDT的啟動速度快。當沖擊電流增加到不完全配合階段范圍內時，GDT電流數值會從0開始有一個明顯的突變現象，之后GDT通流容量隨沖擊電壓的增加呈線性增加的。

流經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%，當兩者完全配合時，GDT的通流容量所占總電流比例會增到92.3%，這說明GDT泄放了絕大部分的能量，起到了第一級保護的效果。

圖2 GDT通流容量變化趨勢及其占總電流比例變化趨勢

4．4 探究殘壓的變化趨勢

沖擊過程中SPD的殘壓趨勢如表5所示。

表5 組合型SPD經過電壓沖擊后的殘壓值

通過表5數據看出，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整體殘壓值有一個下降的趨勢并在兩者完全配合時，殘壓降到了最低點。圖3是SPD殘壓波形所呈現的變化趨勢。

圖3 SPD響應時間隨沖擊電流增加變化趨勢

圖3中顯示當MOV與GDT未達到配合階段時，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啟動的響應時間動作時間越來越短，這說明兩者配合程度越來越高，且殘壓的數值也會下降。

5 結束語

通過復合波發生器模擬1.2/50 μs復合波對不同參數的GDT與MOV配合后沖擊，分析數據找出產生最佳配合的條件，同時在沖擊期間進行GDT的通流容量和沖擊后SPD整體殘壓的研究，得到以下結論。

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

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

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

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