组合型SPD器件参数配合的效应试验研究

郭在华， 何锡汶， 田艳茹

(1.成都信息工程大学电子工程学院，四川成都610225;2.北京雷电防护装置测试中心，北京100176)

0 引言

在低压配电系统中，组合型SPD既可以起到降低残压的效果，并且还不占用过多的空间。段振中等［1］验证了在敏感设备的前面安装组合型浪涌保护器，第一级保护器可以将绝大部分电流泄放掉，并吸收大部分过电压能量，在第二级保护器处进一步降低电压确保被保护设备的安全不受暂态过电压损坏。孟梅等［2］指出开关型器件和限压型器件的能量配合可以减少过电压通过浪涌保护器的时间，这有助于延缓浪涌保护器老化劣化的速度。

以上的研究成果已经证明开关型器件与限压型器件的配合在电子信息及信号系统防护中有着明显的优势，但对于组合型SPD目前既没有对两种类型的器件选择有明确的标准，也没有对配合过程中各性能工作情况进行具体的分析。针对这一问题，对不同参数的开关型和限压型器件进行配合形成组合型SPD，并利用复合波发生器对其冲击测试，对两者产生最佳配合选择条件和冲击后SPD残压变化做出详细的分析。

1 气体放电管与压敏电阻能量配合关键要素

气体放电管与压敏电阻的配合原理图如图1所示。在实际防雷保护中，气体放电管与压敏电阻的有效配合能够将SPD的通流能力大大提升、过电压冲击后限制电压会更低以及延缓元器件的老化劣化这几个优势。因此，两者能量配合的关键点如下:

图1 气体放电管与压敏电阻的配合原理

(1)气体放电管与压敏电阻的配合方式:使用复合波发生器对组合型SPD冲击试验。SPD中的气体放电管和压敏电阻应采取高-低配合的方式，即气体放电管的冲击击穿电压应高于压敏电阻的压敏电压，这种高-低方式配合能够合理的分配过电压的能量。

(2)线路中的退耦元件:在第一级与第二级器件之间加入退耦元件可以起到以下几点优势:雷电波由于线路上加入退耦元件会导致传输速度会降低;在电流一定的情况下，线路波阻抗增加导致线路电压增加，有利于第一级开关型器件的提前启动;雷电波通过退耦元件后，波头的上升陡度会降低;线路中加入退耦元件等于延长了导线的长度，使得雷电波在该段线路上的传输时间更长，从而第一级器件的响应时间更长。

(3)气体放电管与压敏电阻配合时所需过电压幅值:气体放电管与压敏电阻参数固定后，两者能量配合的效果取决于气体放电管能否泄放绝大部分能量。在过电压幅值较小的情况下，只有压敏电阻处于工作状态，但随着电压幅值的增加，气体放电管不断泄放能量。当电压幅值增加到气体放电管能够泄放绝大部分能量时，可将此时定义为气体放电管与压敏电阻完全配合。在试验中发现，不同参数的开关型器件与限压型器件的配合，要达到两者完全配合所需的过电压幅值是不同的，这表明要根据使用环境和被保护设备的耐受能力选择不同参数的气体放电管和压敏电阻进行配合，以此达到防护过电压的目的。

2 复合波的参数及冲击测试程序

2．1 复合波的参数及误差范围

复合波发生器的标准冲击波的特征用开路条件下的输出电压和短路条件下的输出电流表示。开路电压的波前时间为1.2 μs，半峰值时间为50 μs;短路电流的波前时间为8 μs，半峰值时间为20 μs。开路电压的峰值和短路电流的峰值为20 kV和10 kA。复合波参数误差如表1所示。

表1 复合波参数允许误差

2．2 复合波冲击SPD的试验程序

复合波冲击SPD的试验程序步骤:复合波发生器的高低压端分别施加在SPD的正负极上;设定好复合波发生器的冲击电压幅值，每种幅值对SPD施加4次冲击，正负极性各2次;每次冲击的间隔时间应足以使试验样品冷却到环境温度;每次冲击时用示波器记录从发生器流经SPD的电流值，冲击后用示波器记录SPD输出端口的残压值。

3 试验设计及内容

3．1 试验内容

试验目的在于探究过电压幅值冲击对不同参数的开关型器件和限压型器件之间配合的影响、气体放电管的通流容量变化趋势和过电压冲击后SPD残压的变化趋势的影响。在试验样品方面，气体放电管选用了冲击击穿电压分别为230 V、350 V、470 V、600 V、800 V和1000 V 6种;而在压敏电阻方面，则选用了压敏电压分别为45 V、121 V、241 V、471 V、621 V和681 V 6种压敏电阻片。所有样品经静态参数测试仪测量后误差均处在允许范围以内。此外，在气体放电管与压敏电阻片之间串入4.7 μH的电感线圈作为退耦元件。冲击设备使用复合波发生器模拟不同幅值的电压波形进行冲击测试。

3．2 试验方案

试验使用复合波发生器对SPD冲击测试，并在SPD末端夹入测量探头进行残压采样。试验中复合波的冲击幅值由1 kV开始，每隔0.5 kV递增直至10 kV，每次冲击的时间间隔为5 min。通过示波器显示的残压波形和数值探究过电压幅值冲击对不同参数的开关型和限压型器件之间配合的影响。试验重复4次，正负极性各2次，试验数据为正极性2次冲击数值的平均值。

在冲击过程中使用压敏电压为681V的压敏电阻片与冲击击穿电压为1000 V气体放电管进行配合举例说明气体放电管的通流容量在SPD冲击过程中的变化趋势。试验中GDT两端夹入测量探头且在电路中串入1 V/0.0797 A的分流器采集流经GDT的电流容量，冲击电压幅值从1.0 kV开始每隔0.5 kV递增直至10 kV，试验间隔为5 min。试验重复4次，正负极性各2次，试验数据为正极性2次冲击数值的平均值。

4 试验数据及其分析

4．1 气体放电管与压敏电阻完全配合所需电压幅值

所有试品经复合波发生器冲击后，气体放电管(GDT)与压敏电阻(MOV)两者完全配合所需的电压值如表2所示。其中符号“×”表示不符合复合波雷电流所需的高-低配合方式，符号“”表示由于气体放电管冲击击穿电压与压敏电阻压敏电压值相差过大，无论采取多大的冲击电流，两者均无法配合，最终MOV承受了过多的能量导致其老化劣化并损坏。

通过上表2数据分析得出，当固定压敏电阻的压敏电压时，气体放电管的冲击击穿电压参数取的越高，达到两者完全配合所需过电压幅值就越大;当固定气体放电管冲击击穿电压时，压敏电阻的压敏电压参数取的越小，达到两者完全配合所需的过电压幅值反而越小，越容易进入完全配合阶段。

但在实际应用中，MOV与GDT的配合并不能只关注两者完全配合所需过电压幅值。若SPD在使用过程遭受的过电压使GDT达到击穿冲击电压值，同时MOV也达到压敏电压值，但GDT没有泄放足够多的能量，这说明尽管SPD中GDT与MOV已经相互配合，但遭受的过电压幅值不足以使其完全配合，是一个不完全配合的阶段。因此，还探究过电压幅值大小对不完全配合阶段的影响，以此通过这两个方面的综合分析，总结出开关型器件与限压型器件配合的最优选择方案。

4．2 探究不完全配合阶段冲击电流对两者配合的影响

目前没有明确的定论说明不完全配合阶段与器件选择之间的联系。针对这个问题，试验中通过每一次过电压冲击SPD时采集气体放电管中是否流经电流判断此时SPD是否进入不完全配合的阶段。两者完全配合所需的过电压幅值已在表2列出，表3通过几组不同的选择配合方式，改变过电压幅值的大小，找出不完全配合阶段的范围。

表3表明当固定MOV压敏电压时，要达到不完全配合阶段所需的过电压幅值会随GDT冲击击穿电压的升高而升高。例如MOV的压敏电压为471 V，当GDT的冲击击穿电压为800 V时，冲击电压为4 kV两者就能达到不完全配合阶段，而若选择GDT冲击击穿电压为1000 V做配合，达到不完全配合阶段的冲击电压则需要4.8 kV。再根据表2得出固定MOV压敏电压时，GDT的冲击击穿电压越小，完全配合所需过电压幅值越低的原则，综上得出，当固定MOV压敏电压时，应当选择离MOV压敏电压相近的GDT做能量配合。

当固定GDT冲击击穿电压时，通过表3发现GDT的冲击击穿电压与MOV的压敏电压值越接近，两者达到不完全配合阶段就越容易。例如当GDT的冲击击穿电压为1000 V时，压敏电压为681 V的MOV与之配合，所需的冲击电压为2.8 kV就进入不完全配合阶段，而选择压敏电压为471 V的MOV时，所需的冲击电压为4.8 kV进入不完全配合阶段。因此当固定GDT的冲击击穿电压，也应该选择与之电压接近的MOV做配合。

但表2结论中表明MOV压敏电压与GDT冲击击穿电压两者数值相差越大，达到完全配合阶段所需的过电压幅值越低。那么当固定GDT的冲击击穿电压时，限压型器件是选择较低MOV的压敏电压更早进入完全配合阶段，还是选择较高MOV的压敏电压更早进入不完全配合阶段?通过比较不完全配合阶段的区间范围来说明。

通过表2和表3比较，固定GDT的冲击击穿电压时，MOV的压敏电压与之相差越大，不完全配合阶段的电压区间越小。因此应当选择与GDT冲击击穿电压相近的MOV进行配合。这种选择虽然提升了两者达到完全配合所需过电压的幅值，但由于不完全配合范围区间更长，使得两者配合的成功率要更高。

因此综合表2和表3数据分析，无论是固定GDT的冲击击穿电压或者固定MOV的压敏电压，都应该选择与之电压相近的元件进行配合，通过试验数据，横向纵向对比得出的结论。

4．3 气体放电管通流容量变化的突变性

试验使用压敏电压为681 V的压敏电阻片与冲击击穿电压为1000 V气体放电管进行配合，使用1.2/50 μs复合波发生器冲击SPD采集气体放电管通流容量来说明其具有突变性并起到泄放能量的作用。表4记录SPD中GDT的通流容量变化过程及其占总电流比例变化趋势。

表4 组合型SPD中GDT通流容量数值及其所占总电流比例

将表4的结果绘成图2更清晰的记录了SPD中流经GDT的通流容量的变化趋势以及所占总电流比例趋势。

在配合失效阶段，GDT的电流数值始终为0，后端MOV承受了全部电流，这个结果是因为MOV的启动速度要比GDT的启动速度快。当冲击电流增加到不完全配合阶段范围内时，GDT电流数值会从0开始有一个明显的突变现象，之后GDT通流容量随冲击电压的增加呈线性增加的。

流经GDT的电流占总电流比例在气体放电管与压敏电阻开始配合后占到了60%，当两者完全配合时，GDT的通流容量所占总电流比例会增到92.3%，这说明GDT泄放了绝大部分的能量，起到了第一级保护的效果。

图2 GDT通流容量变化趋势及其占总电流比例变化趋势

4．4 探究残压的变化趋势

冲击过程中SPD的残压趋势如表5所示。

表5 组合型SPD经过电压冲击后的残压值

通过表5数据看出，随着GDT与MOV开始互相配合，残压值增加的速度放缓，说明高-低配合方式已经合理的分配过电压的能量。随着冲击电压幅值不断增加，SPD整体残压值有一个下降的趋势并在两者完全配合时，残压降到了最低点。图3是SPD残压波形所呈现的变化趋势。

图3 SPD响应时间随冲击电流增加变化趋势

图3中显示当MOV与GDT未达到配合阶段时，SPD残压的波形是呈压敏电阻残压的波形。随着冲击电压的增加，GDT启动的响应时间动作时间越来越短，这说明两者配合程度越来越高，且残压的数值也会下降。

5 结束语

通过复合波发生器模拟1.2/50 μs复合波对不同参数的GDT与MOV配合后冲击，分析数据找出产生最佳配合的条件，同时在冲击期间进行GDT的通流容量和冲击后SPD整体残压的研究，得到以下结论。

(1)对于组合型SPD，无论是固定GDT的冲击击穿电压或者固定MOV的压敏电压，都应选择与冲击击穿电压相近的开关型元件或是压敏电压相近的限压型元件进行配合。

(2)在过电压幅值使MOV与GDT开始配合时，GDT的通流容量会从0突变到总电流的60%，直到GDT与MOV完全配合后，这个比例会再一次陡增至90%，说明此时GDT起到了泄放绝大部分能量的作用。在冲击过程中，GDT的通流容量数值持续线性增加的。

(3)当过电压幅值接近GDT与MOV完全配合阶段，SPD整体残压值会有一个下降的趋势，并在两者完全配合时，残压降到了最低点。之后SPD的残压值会随过电压幅值上升而增加。

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