基于有限元法的GDT与TVS能量配合仿真研究

牛春霞，马子龙，杨仲江

（1.南京科技职业学院，南京 210048；2.南京信息工程大学大气物理学院，南京 210044）

基于有限元法的GDT与TVS能量配合仿真研究

牛春霞1，马子龙2，杨仲江2

（1.南京科技职业学院，南京 210048；2.南京信息工程大学大气物理学院，南京 210044）

多次过电压冲击会对信号电涌保护器中的气体放电管（GDT）与瞬态抑制二极管（TVS）能量配合产生影响。针对这一问题分析了气体放电管在冲击电压下表面电荷积聚原因；利用有限元法仿真了气体放电管在不同冲击次数、不同电极粗糙程度下表面电场强度分布；同时对气体放电管进行多次过电压冲击试验，观察启动电压变化趋势并与仿真结果进行对比。仿真和试验结果表明：多次冲击使得电极表面粗糙度增大，影响GDT启动电压，启动电压的变化会导致气体放电管和TVS能量配合失效。研究指出：将GDT和TVS间的退耦电阻由原来的2.2 Ω改变为4 Ω能够有效削弱多次冲击的影响，并且在规定的通频带下，仍具有较好的传输特性。

气体放电管；表面电荷；退耦电阻；仿真；能量配合

0 引言

随着科技的发展，电子设备对雷电干扰的敏感度越来越高。信号电涌保护器通常采用两级保护器件，一般为气体放电管和TVS，两级保护器件相互配合使用，能够达到较好的能量匹配，从而有效降低残压，减少雷电对电子设备的干扰甚至损坏。李祥超、杜志航、任晓明[1-3]等人通过大量认为两级保护设备之间的退耦电阻取2.2 Ω时，气体放电管和TVS动作配合效率较高，残压也较低，但是这些研究忽略了气体放电管在多次雷电压冲击后，启动电压不稳定的特点，在冲击次数逐渐增加的情况下，2.2 Ω阻值的退耦电阻还能否使两级电涌保护器有效配合仍有待试验验证。

当过电压作用在第一级保护器件也即气体放电管时形成电子雪崩。当电离达到一定程度时，气体放电管由非自持放电过渡到自持放电，管内气体被击穿，气体放电管导通[4]。可以看出，表面电场强度减小势必会升高气体放电管启动电压，导致气体放电管在二级保护电路中动作滞后，进而使得TVS承受所有的雷电流，最终配合失效。

气体放电管在自身没有漏气且外界气候条件(温度、光照度)不变的情况下，电极表面积聚的电荷成为影响GDT启动电压的主要因素[5]，但是目前对气体放电管在线路中积聚表面电荷的研究并不多，汪沨采用电容探头法，测得冲击电压下介质表面电荷积聚程度可能比直流电压作用下更严重[6-7]。王文瑞，Al-Bawy[8-9]通过静电计测得冲击电压施加次数和加压幅值与表面电荷密度成正相关。Srivasta⁃vay，王琦[10，11]提出界面介电常数、电导率、冲击电压幅值、波头波尾陡度等能影响冲表面电荷量。邓军波[12]通过对同一介质表面施加交替极性变化的过电压得出反极性表面电荷对介质表面电场的影响的一些结论。这些研究都是基于电荷测量手段实现的，但是这些测量手段并不适用于对气体放电管电极表面电荷的测量。所以，通过测量气体放电管表面电荷量来研究多次冲击对气体放电管启动电压的影响会有不小的误差。而利用线光效应的普克尔斯效应反射法[13]也被认为只能测量一些聚合体较薄的材料。冲击电压下GDT表面电荷来源主要为（1）局部放电。电极表面不可避免的存在μm量级微观毛刺，在冲击电压波头上升到起晕电压时，毛刺处开始出现大量电晕电荷[14]。当气体放电管经过多次过电压波冲击，毛刺密度增加，深度量级增大，产生表面电荷量将会增大。（2）电导率不均匀[15-16]。

基于上述原因，笔者通过试验和maxwell 2D仿真研究气体放电管在多次冲击下电极表面电场变化机理，从中分析多次冲击对气体放电管启动电压的影响大小及趋势，合理找出二级电涌保护设备之间的最佳退耦电阻，使得气体放电管与TVS管能够有效配合工作，并最大限度降低残压，为今后信号电涌保护器的设计提供参考依据。

1 气体放电管表面电场仿真

1.1 仿真模型介绍

如图1所示，气体放电管两端电极有凸起的部分和凹陷的部分，为了仿真研究，将这两块电极部分分情况讨论，凸起部分称为外电极，凹陷部分称为内电极，内外电极一般都是由铁钴镍合金组成，气体放电管管体为绝缘的陶瓷材料。利用maxwell 2D软件对不同冲击次数下电极表面电场分布进行分析，该软件是运用有限元方法进行求解，是常用的电磁场分析软件。模型为二级气体放电管，由于是中心旋转对称图形，选择R-Z坐标系建模。外电极直径为80 mm，内电极直径为50 mm，管长为52 mm，内部惰性气体取氩，介电常数为1.000 56，管外气体为空气，介电常数为1.000 585。

图1 气体放电管剖面图Fig.1 Section of gas discharge tube

1.2 仿真分析

为了研究气体放电管电极表面积聚的电荷对GDT表面电场的影响，对GDT施加恒压。细化电极板面上的剖分，加入空气域，添加电压，上极板设置为电压源，电压值设为4 kV，下极板接地。如图2，所有的模型添加4 000个初始剖分节点，空气域模型给予6 000个剖分节点。

图2 对仿真模型的单元细分Fig.2 Meshing of the simulation model

为了模拟不同冲击次数，不同粗糙电极表面电场情况；实施三组仿真试验对比，对（a）单纯施加恒压，对（b）在施加恒压前对电极表面加载11×10-9C[8]电荷量以代表30次过电压冲击电极表面所积累的电荷量，该仿真假设电极表面光滑，表面电荷分布均匀，所以电极表面产生积累电荷的机率相同；对(c)不仅在施加电压前在电极表面处加载相同的电荷量，并且在电极上添加深度为0.2 mm，间隔为0.6 mm凹凸槽代表多次冲击后电极表面产生的粗糙点。

由图3、图4内外电极表面电场仿真可以看出，气体放电管经过30次冲击后，若电极表面依然保持光滑，电极表面电场畸变不是很明显；若电极表面粗糙度由于多次冲击而改变，对表面电场影响较明显。首先粗糙程度的加深，表面毛刺点引起局部电场增强，导致场致发射，影响GDT启动电压，其次电极表面气体放电管微观毛刺处更容易积累电荷[14]，使得电极表面电场畸变，影响气体放电管的放电状态。

图3 外电极不同冲击次数表面电场分布对比Fig.3 Comparison of electric field distribution on the outer electrode surfaces with different impulse times

图4 内电极粗细表面电场对比Fig.4 Comparison of electric field distribution on the inner electrode surfaces with different impulse times

图5为气体放电管在不同冲击次数下电极表面电场强度对比，红色线条表示未被冲击电极表面电场强度变化，绿色线条表示冲击30次产生粗糙点后电极表面电场强度变化。可明显看出，未被冲击电极表面电场强度均匀，而在粗糙处，电场强度增强，有些部位增强至2倍甚至更多，严重影响气体放电管电极表面电场，当多次冲击加大电极表面的粗糙程度时，对表面电场的影响将会加大，从而影响气体放电管的启动电压，最终导致气体放电管和TVS管动作响应失效。

2 试验方案及结果分析

2.1 GDT电极表面不同粗糙程度下冲击放电电压值影响

使用不同目数的砂纸对同一厂家击穿电压为230 V的气体放电管A、B、C、D进行整体打磨，取放电管E，进行图局部打磨。利用1 kV/μs电压波作为气体放电管启动电压测试电压波，并测试5次取平均值作为GDT启动电压值。根据试验经验，认为气体放电管在20次冲击下，电极表面粗糙程度变化不明显，所以选择将打磨好的气体放电管进行20次4 kV，1.2/50 μs组合电压波冲击，观察冲击放电电压值得变化。打磨实验表明，砂纸目数越小，电极表面粗糙度越大，GDT启动电压越小，然而GDT经过20次冲击启动电压基本保持稳定，说明在20次冲击次数下，GDT表面积累的电荷来对气体放电管启动电压影响效果不明显，这也和上面仿真所得结论一致。气体放电管E电极表面经过局部打磨，电极表面电场畸变更加明显，致使GDT冲击放电电压会有较大的突变。

图6 不同粗糙程度对GDT冲击放电电压影响Fig.6 Effect of different roughness on the impulse discharge voltage of GDT

2.2 GDT经多次冲击在交流中启动电压变化

对某公司生产的直流击穿电压值为230V，正负初始启动电压值如表1的气体放电管试品B、C、D，分别用GXG冲击控制系统经过0、30、70次4 kV，5 kA，1.2/50μs组合电压波冲击，再经过有效值为150 V的交流电压作用1、2、3、4、5 h，观察正负向启动电压变化情况，每次施加完后等到气体放电管完全冷却，后再进行试验。

由图7（b）放电管启动电压变化趋势可以看出在没有经受多次高电压冲击的情况下，气体放电管在5 h的交流电压作用下，启动电压维持稳定。不稳定持续电压作用，使得固体介质内部电导率及介电常数不均匀产生的电荷可以忽略不计。从图7正负向冲击测试中可以看到GDT启动电压随着冲击次数的增加显示出一定的极性差异；在图7(b)负向冲击测试中，C管启动电压由678 V增加到749 V，上升幅值10.4%；而D管由678 V上升到791 V，上升幅值达16.6%，可以看出气体放电管经过多次过电压冲击使，电极毛刺处电晕放电积累的异种表面电荷所产生的电场削弱了气体放电管表面电场，使得给予初始电子的能量减少，减缓放电强度，抬高了GDT启动电压。图7(a)正向启动电压下降不明显的原因是多次冲击和交流耐受使得GDT电子粉受损，影响二次电离，抑制启动电压的降低。试验表明当粗糙程度过大时，GDT经过多次冲击产生的表面积累电荷也能够一定量的影响GDT启动电压。

表1 种放电管的初始正启动电压值Table 1 Initial positive start voltage of 3 kinds of discharge tube

图7 B，C，D试管随着交流时间启动电压的变化Fig.7 The starting voltage variation of discharge tube B，C and D with alternating-current voltage duration

2.3 二级保护信号电涌保护器退耦电阻选择

二级保护信号电涌保护器电路基本原理（UGDT=UR+UTVS）。可以看出选取正确的退耦电阻可以有效避免由于多次冲击带来的气体放电管启动电压的不稳定。当雷电电荷极性与GDT表面积聚电荷的极性相反时，表面电荷产生的场强会削弱电极场强，导致气体放电启动电压升高，此时退耦电阻需要比原来分得更多电压，才能加快气体放电管的启动，使得所有雷电流不会全部加在TVS管两端。

用浪涌发生器对二级保护电路进行0、10、20、30、40、50、60 次的4 kV，1.2/50μs正向开路电压波冲击，并用负向测出残压值变化。选取14种阻值范围从2.2 Ω到10 Ω的退耦电阻，气体放电管直流击穿电压为90 V，TVS管取1.5KE30CA。每次冲击后等到放电管完全冷却后再进行试验。

根据图8，当退耦阻值选择传统的2.2 Ω时，经多次过电压冲击后二级保护电路残压从原来的47.59 V上升到52.55 V，上升了9.4%，上升幅度明显。当换取退耦阻值越大时，残压升高趋于平缓，当退耦电阻选取在4 Ω时，残压基本稳定在47 V。

2.4 传输特性测试

气体放电管（GDT）和瞬态抑制二极管（TVS）组成的二级电涌保护器多运用于对信号设备的保护，所以防雷器件之间动作的有效配合不能完全表明退耦电阻选取的合理性，因为当退耦阻值选取过大时不仅会影响电路的正常运行，同时会加大对传输信号的衰减。运用网络分析仪分别对退耦电阻阻值为2.2 Ω，4 Ω的二级保护信号电涌保护器电路进行插入损耗测试。SPD插入损耗应位于系统设计总插入损耗允许值的预留范围，在计算机网络中，接入SPD对信号的衰减一般要求在0.3～0.5 dB。测试表明：通频带30 MHz范围内，气体放电管和TVS瞬态抑制二极管间的配合电阻取4 Ω时，插入损耗小于0.5 dB，满足传输特性要求，不会干扰信号。

图8 不同退耦电阻二级保护电路多次冲击次数下残压值变化Fig.8 The residual voltage changes of secondary protection circuit with different decoupling resistance levels under multiple impulse times

3 结论

通过探讨多次冲击对气体放电管启动电压稳定性影响机理，结合maxwell2D仿真以及交流、冲击试验，得出以下结论：

1）气体放电管经过多次过电压冲击，电极表面粗燥度增大，这些表面毛刺点引起局部电场增强，导致场致发射，影响GDT启动电压；当冲击到达一定次数，电极表面非常粗糙时，由多次冲击产生的表面电荷也会对GDT启动电压产生影响。

2）多次冲击对气体放电管启动电压的影响使得二级保护信号电涌保护器气体放电管和TVS管响应配合失效，残压变大。将传统最优退耦电阻2.2Ω为4Ω，能够有效的避免多次冲击带来的两级保护电路残压值上升，形成最佳能量配合，并且在规定的通频带下残压较低，传输特性也较好。

[1]杜志航，杨仲江，姜山等.基于限压型电涌保护器能量配合的分析[J]电磁避雷器，2009（5）:46-49.DU Zhihang，YANG Zhong-jiang，JIANG Shan.Analyse on Energy Coordination between Based on Voltage Limit⁃ing SPD[J].Insulators and Surge Arresters，2009（5）:46-49.

[2]杜志航，杨仲江，李祥超，等.RJ45接口浪涌保护器的设计[J].安全与电磁兼容，2009（1）:48-51.DU Zhihang，YANG Zhingjiang，LI Chaoxing，etal.The De⁃sign on Signal SPD for RJ45 Interface[J].EMI SUPPRES⁃SION TECHNOLOGY，2009（1）:48-51.

[3]任晓明，徐瑾，赵洋等.信号电涌保护器电路设计中去耦电阻的选择[J].低压电器，2006（4）:13-15.REN Xiaoming，XU Jing，ZHAO Yang.Selecting Decou⁃pling Resistance in the Design of Surge Protective Devices Connected to Telecommunications and Signaling[J].Low Voltage Apparatus ，2006（4）:13-15.

[4]武占成，张希军，胡有志.气体放电[M].北京：国防工业出版社，2012.WU Zhan-cheng，Zhang Xi-Jun，Hu You-Zhi.Gas dis⁃charge[M].BeiJing:NationalDefenseIndustry Press，2012.

[5]杨仲江，马子龙，李祥超.残留电荷对气体放电管冲击放电电压的影响分析[J].电瓷避雷器，2014（4）：116-120+126．YANG Zhong-jiang，MA Zi-long，LI Xiang-chao，Analy⁃sis of the influence of residual charges on gas discharge tubes’impulse discharge voltage[J].Insulators and Surge Arresters，2014（4）:116-120+126.

[6]汪沨，邱毓昌，张乔根等.冲击电压作用下绝缘子表面电荷的积聚[J].高电压技术，2002（8）:7-8+30.WANG Feng，QIU Yuchang ，ZHANG Qiaogen.Surface Charge Accumulation under Impulse Voltage[J].High⁃VoltageEngineering，2002（8）:7-8+30.

[7]汪沨，邱毓昌，张乔根等.冲击电压作用下影响表面电荷积聚过程的因素分析[J].电工技术学报，2001（5）:51-54+10.WANG Feng，QIU Yuchang，ZHANG Qiaogen，Chen Qing-guo.Analysis of influence factors of surface charge accumulation under impulse voltage[J].Transactions of China Electrotechnical Society.2001（5）：51-54+10.

[8]王文端，王景春，于德明.绝缘板表面残余电荷对沿面放电的影响[J].华北电力学院学报，1993（1）:26-30.WANG Wenrui，WANG Jingchun，YU Deming.Effect of insulation board surface residual charge on surface dis⁃charge[J].Journal of North China Electric Power Universi⁃ty，1993（1）:26-30.

[9]Al-Bawy，O.Farish.Charge deposition on an insulating spacer under impulse-voltage conditions[J].IEE Proceed⁃ings-A，1991，138（3）:145-152.

[10]SRIVASTAVA K D，Zhou Jian-ping.Surface charging and flashover of spacers in SF6 under impulse voltages.IEEE Trans.on EI，1991，26（3）：B428-442.

[11]王琦，汪沨，邱毓昌.表面电荷积聚对冲击电压下绝缘子沿面放电的影响[J].电力设备，2004（7）:19-22.WANG Qi，WANG Feng，QIU Yu-chang.Effect of Surface Electric Charge Accumulation on Creeping Discharge of Insulator Under Impulse Voltage[J].Electrical Equip⁃ment，2004（7）:19-22.

[12]邓军波，松岗成居，熊田亚纪子等.冲击电压下残余电荷对沿面放电发展的影响[J].高电压技术，2012（8）:2137-2144.DENG Junbo，MATSUOKAshigeyasu，KUMADA Akiko，HIDAKA Kunihiko，PU Lu.Effect of Residual Charges on Surface Discharge Propagation Under Impulse Voltage[J].High Voltage Engineering，2012（8）：2137-2144.

[13]王新新，刘微粒，王强，朱宏林，邹晓兵.绝缘子表面电场及电荷的测量[J].高电压技术，2011（3）:732-738.WANG Xin-xin，LIU Wei-li，WANG Qiang，，ZHU Gonglin，OU Xiao-bing.Measurements of Electric Field and Charge on Insulator Surface[J].High Voltage Engineering，2011（3）:732-738.

[14]KUMADAA，SHIMIZUY，CHIBA M，etal.Pockels surface potential probe and surface charge density measurement[J].Journal of Electrostatics，2003，58（1/2）:45-58.

[15]刘志民，邱毓昌，冯允平.对绝缘子表面电荷积聚机理的讨论[J].电工技术学报，1999（2）:65-68.LIU Zhimin，QIU Yuchang，FENG Yunping.The Discus⁃sion about Accumulation Mechanism of Surface Charge on Insulating.Transactions of China Electrotechnical Society，1999（2）：65-68.

[16]MANGELSDORT C W，COOKE C M.Bulk charging of Ep⁃oxy insulation under DC stress[C]//Proceedings of IEEE In⁃ternational Symposium on Electrical Insulation，Boston，USA:IEEE，1980：146-149.

Simulation Analysis for GDT And TVS Energy Coordination Based on the Finite Element Method

NIU Chunxia1,MA Zilong2,YANG Zhongjiang2
（1.Nanjing Polytechnic Institute,Nanjing 210044,China;2.School of Atmospheric Sciences,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China）

Repeated overvoltage-impulses on two-stage signal Surge Protection Devices(SPD)will influence energy matching between Gas Discharge Tube(GDT)and Transient Voltage Suppressor(TVS).Aimed at this matching problem,the author analyzes the reason of charges accumulation on the surface of various kinds of GDTs,when these GDTs are impacted by overvoltage;by using Finite Element Method(FEM),different patterns of electric field around the surface of GDTs due to different impacts times and various GDTs surface coarseness are simulated.In the meantime,overvoltage impulses were repeatedly carried on these GDTs,and the variation trend of trigger voltage are observed and compared with simula⁃tion results.Both the simulation and experimental results suggest:repeated impulses can deepen the roughness of GDTs’electrode surface and will cause the trigger voltage change.As a result,energy match⁃ing between GDT and TVS will lose efficacy.According to this research,if decoupling resistance between GDT and TVS is changed from 2.2 Ω to 4 Ω,influences from repeated impulses can be effectively weak⁃ened,and if also within the limits of formulary transmission bands,transmission property will remain pref⁃erable.

gas-discharge tube；surface charge;decoupling resistance；simulation；energy matching

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.018

2016-06-19

牛春霞（1963—），女，副教授，主要从事数值模拟仿真研究。

国家自然科学基金项目（编号：41175003）。