開關(guān)型SPD觸發(fā)技術(shù)的研究——許年生

1、許年生（1980）,男，本科，助理工程師，從事電涌保護(hù)器4kV左右或更高，制約了開關(guān)型開關(guān)型SPD觸發(fā)技術(shù)的研究許年生劉明東上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司摘要：本文介紹了開關(guān)型SPD典型的三種觸發(fā)技術(shù)，比較了各自的特點(diǎn)，并根據(jù)柵片滅弧結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出新的觸發(fā)技術(shù)一一多點(diǎn)火花觸發(fā)，詳細(xì)描述了所提出的觸發(fā)技術(shù)的工作原理及過程，最后通過模擬試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，證實(shí)了“多點(diǎn)火花觸發(fā)”的可行性。關(guān)鍵詞：開關(guān)型SPD;觸發(fā)技術(shù)；火花隙；ResearchoftheTriggerTechnologyforSwitchingTypeSPDXUNianshengLIUMingdongShanghaiElectri

2、calApparatusResearchInstitute(Group)Co.,Ltd.,Shanghai200063,ChinaAbstract:Inthispaper,theauthorsintroducedthreetypicaltriggertechnologyofswitchingSPDandcomparedtheirfeature.Thenewtriggertechnology,multi-sparktriggerwereputforwardaccordingtothecharacteristicofsplitterarcchamberstructure.Andtheprincip

3、leandworkingprocedureoftriggertechnologyweredescribedindetailinthispaper.Finally,thepracticabilityofthemulti-sparktriggertechnologyhasbeendemonstratedthroughsimulationtest.Keywords:switchingtypeSPD;triggertechnology;sparkgap;0引言開關(guān)型SPD(電涌保護(hù)器)的通流能力大以及漏電流小的優(yōu)勢(shì)顯而易見，但其殘壓高以及有工頻續(xù)流產(chǎn)生的缺陷也非常明顯。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，開關(guān)型SPD

4、的電壓保護(hù)水平以及斷開續(xù)流能力都有了極大的改善，尤其是觸發(fā)技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)提升開關(guān)型SPD性能起了關(guān)鍵作用。1傳統(tǒng)的開關(guān)型SPD概況傳統(tǒng)的開關(guān)型SPD是僅有兩個(gè)放電電極的簡(jiǎn)單放電結(jié)構(gòu)，屬被動(dòng)式放電結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)存在諸多缺陷：主電極距離小、放電電壓高可達(dá)到SPD的應(yīng)用。2現(xiàn)有開關(guān)型SPD的觸發(fā)技術(shù)對(duì)于開關(guān)型SPD而言，觸發(fā)技術(shù)的應(yīng)用是改善產(chǎn)品電壓保護(hù)水平和斷開續(xù)流能力的關(guān)鍵要素。為了適應(yīng)現(xiàn)代過電壓防護(hù)的需求，國外廠家進(jìn)行了深入研究。通過觸發(fā)技術(shù)”的實(shí)施，不但降低了放電電壓，也為提高產(chǎn)品的斷開續(xù)流能力創(chuàng)造了條件。目前，現(xiàn)有觸發(fā)技術(shù)分別為：電容網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)、脈沖變壓器觸發(fā)以及能量觸發(fā)。2.1 電容網(wǎng)絡(luò)逐級(jí)

5、觸發(fā)1'2原理如圖1a所示，除最后一個(gè)間隙Sgn+i外，其它各間隙對(duì)公共端之間都并接一個(gè)電容器（幾百到數(shù)千PF）。這樣一來，當(dāng)電涌電壓出現(xiàn)在這個(gè)組件上時(shí)，首先是電容器Ci的旁路作用，電壓幾乎全部加在Sgi上，因而間隙Sgi首先擊穿導(dǎo)通。同理推知，間隙Sg2,Sg3,-將依此擊穿導(dǎo)通，該觸發(fā)技術(shù)適用于由多個(gè)小間隙串聯(lián)的開關(guān)型SPD中。2.2 脈沖變壓器觸發(fā)2、3脈沖變壓器觸發(fā)是一種應(yīng)用較廣泛的技術(shù)，特別適用于單個(gè)火花隙”觸發(fā)結(jié)構(gòu)，原理如圖1b。它有主電極a、b（分另1J與L和PE/N相連）和變壓器觸發(fā)電極c（也稱為點(diǎn)火電極）三個(gè)電極。a、b間的主放電間隙S,大于a、c間的觸發(fā)間隙8,因而

6、a、c間擊穿電壓比a、b間的擊穿電壓低得多。當(dāng)經(jīng)過變壓器放大的電涌電壓出現(xiàn)在a、c上時(shí)，間隙8首先擊穿導(dǎo)通并釋放出帶電粒子，在主電極a、b間電場(chǎng)作用下，帶電粒子加速運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而引起間隙S擊穿導(dǎo)通。sgl迎頸峻SLa電容網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)b脈沖變壓器觸發(fā)c能量觸發(fā)圖1三種典型的觸發(fā)技術(shù)2.3能量觸發(fā)原理如圖1c,與脈沖變壓器觸發(fā)區(qū)別在于，作用在觸發(fā)間隙上8的電壓直接是電涌電壓，該觸發(fā)技術(shù)不像脈沖變壓器那樣受功率的限制，只能單個(gè)脈沖式的觸發(fā)，而是連續(xù)地維持觸發(fā)電弧的燃燒，直到電弧所釋放的等離子足以在電場(chǎng)作用下引起主電極的擊穿。上述三種觸發(fā)技術(shù)是目前開關(guān)型SPD的觸發(fā)技術(shù)，其特點(diǎn)如表1所示：表1觸發(fā)技術(shù)的比較、

7、觸發(fā)技術(shù)項(xiàng)目電容網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)脈沖變壓器觸發(fā)能量觸發(fā)適用的主間隙結(jié)構(gòu)多層小間隙串聯(lián)單個(gè)?。ň嚯x）間隙單個(gè)大（距離）間隙主間隙距離小一般較大觸發(fā)間隙距離共用主間隙<0.5mm<0.2mm觸發(fā)電弧維持時(shí)間短短長(zhǎng)可靠性一般較好好從表1中的特點(diǎn)可以看出，在設(shè)計(jì)開關(guān)型SPD時(shí)，應(yīng)用何種觸發(fā)技術(shù)需要綜合放電結(jié)構(gòu)、斷開續(xù)流能力等進(jìn)行匹配選擇才行。3多點(diǎn)火花觸發(fā)技術(shù)柵片滅弧是低壓電器中常規(guī)的滅弧技術(shù)，利用該技術(shù)解決開關(guān)型SPD中的續(xù)流問題是SPD設(shè)計(jì)人員的選擇之一。通常選擇柵片滅弧方式的SPD內(nèi)主體結(jié)構(gòu)的基本特征主要有以下幾點(diǎn)：1）屬于單間隙放電結(jié)構(gòu)；2）主間隙距離大；3）由于增加了滅弧室，因此主間隙的

8、空間也比較大；4）為了電弧能夠更快進(jìn)入滅弧室，氣流方向是朝向滅弧室設(shè)計(jì)的；結(jié)合表1分析可以看出，“能量觸發(fā)”技術(shù)是比較適用的，但分析國內(nèi)外應(yīng)用“能量觸發(fā)”技術(shù)的SPD結(jié)構(gòu)，具有下列幾點(diǎn)特征：1）屬于單間隙放電結(jié)構(gòu)；2）主間隙距離大；3）無滅弧室，主間隙空間??；4）為了降低觸發(fā)時(shí)間，氣流是在電極之間單向流通設(shè)計(jì)的；從上述內(nèi)容可以看出，第3、4點(diǎn)特征與柵片滅弧方式的SPD內(nèi)主體結(jié)構(gòu)的特征并不相同，而這些因素對(duì)觸發(fā)技術(shù)的實(shí)施起著重要的作用?；谏鲜鰡栴}，本文提出“多點(diǎn)火花觸發(fā)”技術(shù)，該技術(shù)產(chǎn)生的觸發(fā)電弧更長(zhǎng)，強(qiáng)化了對(duì)大空間放電間隙的觸發(fā)影響，提高觸發(fā)效率，更適合柵片滅弧方式的開關(guān)型SPD使用。為了驗(yàn)

9、證“多點(diǎn)火花觸發(fā)”技術(shù)的特性，建立了具有柵片滅弧的火花隙結(jié)構(gòu)（圖2a）,結(jié)構(gòu)中主間隙（主放電電極的距離）采用了大間距設(shè)置，并有呈現(xiàn)對(duì)稱布置的兩個(gè)氣體冷卻通道，此外，根據(jù)“多點(diǎn)火花觸發(fā)”技術(shù)要求，設(shè)置了三段觸發(fā)電弧，原理見圖2b。a結(jié)構(gòu)示意圖b原理圖圖2多點(diǎn)火花觸發(fā)技術(shù)圖2b中有三個(gè)微小的間隙和一個(gè)大間隙（主間隙），三個(gè)微小間隙中兩個(gè)分別與觸發(fā)電容相連，一個(gè)與壓敏電阻串聯(lián)。該觸發(fā)技術(shù)的工作原理如下所述：當(dāng)一個(gè)電涌作用于該電路LPE/N間時(shí)，由于電容的高頻短路特性，與電容串聯(lián)的第一個(gè)觸發(fā)間隙將首先擊穿放電（圖3a）,接著脈沖電壓出現(xiàn)在第二個(gè)觸發(fā)間隙上（同樣通過一個(gè)電容串聯(lián)在電路中），與第一個(gè)間隙一樣被擊穿放電（圖3b）,然后脈沖電壓出現(xiàn)在第三個(gè)觸發(fā)間隙與壓敏電阻串聯(lián)的觸發(fā)電路上，開始MOV可視為等效電容第三個(gè)觸發(fā)間隙首先擊穿，隨后MOV導(dǎo)通并表現(xiàn)出非線性伏安特性（圖3c）。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)和脈沖波能量的加強(qiáng)，三個(gè)觸發(fā)間隙形成的電弧逐步形成具有一定強(qiáng)度的長(zhǎng)觸發(fā)電