多级气体放电管与氧化锌压敏电阻并联配合的辉光弧光放电性能分析

李宝莉

（上海电力学院电气工程学院，上海 200090）

多级气体放电管与氧化锌压敏电阻并联配合的辉光弧光放电性能分析

李宝莉

（上海电力学院电气工程学院，上海 200090）

针对多级气体放电管（GDT）与ZnO压敏电阻的并联配合使用的问题，根据多级GDT及ZnO压敏电阻的工作原理，把ZnO压敏电阻依次并联多电级GDT不同级数进行测试时，并联级数越多，越能有效拉低点火电压，并具有击穿后能分流的特性。利用气体放电理论进行工频电压下的组合器件辉光、弧光放电试验，在分析了辉光、弧光放电电压、时延、电流与工频电压之间的关系后，得出并联不同级数时，组合器件的静态参数与辉光、弧光各参数的匹配效果对泄流影响：静态参数中压敏电压与并联的GDT管点火电压相差越大，放电特性越容易从开关型SPD向限压型SPD转变。由实验数据解释辉光、弧光各参数与工频电压和静态参数间关系，提出可用工频电压源下辉光、弧光测试ZnO压敏电阻与多级GDT并联使用性能对比方法，在实际应用中对选择复合型SPD有一定的参考价值。

辉光；弧光；工频电压；ZnO压敏电阻；气体放电管

0 引言

随着科学技术的发展，电气和电子产品越来越多的被使用，由于直击雷或雷电感应对这些设备的危害很大，尤其是精密的电子设备对强大的雷电电磁脉冲很敏感，并且很容易受到损坏。因而在电子设备系统前端、供电系统上安装浪涌保护器是减少雷击损失的重要措施之一。浪涌保护器（SPD）分为开关型、限压型、复合型3种，开关型SPD具有通流量大，无漏流，残压低的优点，但缺点是响应时间长，而限压型SPD具有响应时间短，通流量大的优点，但缺点是残压高，有漏流[1-3]；因此，实际生活中常用复合型SPD来保护电气电子设备。

目前，在实际应用中，对于已有设计开关型SPD，内部设计大多数采用气体间隙、少部分用其他间隙，比如石墨间隙，但都有缺陷：没法解决工频续流问题。因此，一般用拉大间隙距离来减少续流，但同时也使得击穿电压变高；如今，一方面发展了羊角间隙，其原理是磁吹式灭弧，并且广泛应用于高压输电线路[4]。另一方面，采用在拉大气体间隙距离的同时用一些元件来降低电压保护水平。Scheibe[5]利用多级石墨间隙SPD在电容脉冲电流下的瞬时短路特性，提出石墨间隙逐级触发方法来拉低击穿难度。张小青[6]分析了Zn0压敏电阻与GDT管并联配合使用的性能特性。李祥超等[7]通过开路电压波（1.2/50 μs）、8/20 μs和组合波（1.2/50 μs，8/20 μs）对多级气体放电管和ZnO压敏电阻并联后进行冲击试验，得出并联后，能加快GDT管放电速度的结论，提出组合器件的匹配方法。周中山等[8]利用辉光、弧光放电测试装置得出开关型电涌保护器各参数的逻辑关系，提出辉光、弧光放电性能的试验分析对开关电涌保护器设计与运用的参考意见。

虽然很多学者对SPD冲击特性进行了研究，但都缺少了对限压型与开关型SPD配合时的辉光、弧光性能试验研究。因此，本文根据气体放电理论和多级气体放电管及ZnO压敏电阻的工作原理，通过多级气体放电管与ZnO压敏电阻的并联配合试验，分析静态参数与辉光、弧光各参数关系，比较压敏电阻与多级GDT管的并联位置不同时的配合效果。

1 辉光、弧光原理分析

1.1 正常辉光放电结构与分布

当电压到达击穿电压VS时，放电管点火，发生电子雪崩，电流迅速增大，由于外电路电阻的限流作用，放电稳定在EF部分的正常辉光放电区，并且在有电场分布的管轴方向上，气体放电管发光区域表现出明暗相间的光层分布，分别为阴极区、负辉区、法拉第暗区、正柱区和阳极区[9-11]。

辉光放电时，其放电正柱管壁处的电位:

式中：VR为放电管壁上电位；VO为放电轴上的电位；电子温度Te是不变量；Z是在单位体积内一个电子与原子碰撞每秒钟产生电离的数目；R为放电管的半径，以轴线为对称轴，取单位长度的一小段圆柱筒，该小圆筒内半径即为r；Da为双极性扩散系数。而放电正柱中径向电位的分布为

1.2 弧光放电结构与分布

在正常辉光放电阶段，当电离程度增强后，减小了气体间隙电阻，开始只是阴极表面发射电子区域增加，但是极间电压保持不变；若在增加电流，电压在峰值后急速下跌，此区被称为反常辉光，并维持低电压，大电流的放电，这就是弧光放电[12]。

在弧光放电时，放电管可以明显地划分为3个区域：阴极区（阴极，阴极斑点，阴极鞘层），正柱区，阳极区（阳极，阳极斑点，阳极鞘层）。

弧光放电时，电场强度：

式中：VC为阴极位降；ji=nieVi；je=neeVe；在阴极x=0处，V=0，则那里的电场强度E0服从下式：

2 多级气体放电管与ZnO压敏电阻并联实验分析

2.1 实验电路模型

图1为多级GDT管并联ZnO压敏电阻时的电路模型图，图中压敏电阻并在5级串联GDT管的一级处；电源是工频电压源；电流表是测总电流，其在实物图以罗格夫斯基原理的电流探头来代替，其为10倍衰减；电压表测量组合器件的总电压，其实物图是用1 000倍衰减的电压探头来测量。

图1 实验电路模型Fig.1 Experimental circuit model

2.2 组合器件静态参数

图2反映ZnO压敏电阻并联在5级串联气体放电管的不同级数时，分别在并联与不并联压敏电阻时，以型号为K-31623静态参数测试仪，测出的的点火电压对比图。由此图可知，并联压敏电阻后的点火电压整体低于不并联压敏电阻后的点火电压，并且在并联三、四级时尤为明显。这是因为多级气体放电管上并联ZnO压敏电阻能拉低GDT管的点火电压，其解释为ZnO压敏电阻与GDT管相互并联时接受工频电压的冲击时，其两器件基本上是同时动作，两者并联后的总电压值取决于具有电压降低的器件，由于GDT管的阴极位降区电压较高，而ZnO压敏电阻两端的U1mA较低，因而并联后的动作电压取决于压敏电阻两端的电压[13-15]。这点在并联三级、四级时具体体现出来了。

静态参数关系图见图2。由图2可看出，在并联处放电管尚未导通之前，压敏电阻开始动作，对工频电压进行箝位并泄放电流，而当GDT放电导通后，会与压敏电阻共同分流，减小了对压敏电阻的通流压力，从图中看出，并一级时，气体放电管的电火电压为198V，而ZnO压敏电阻的压敏电压为631V，由此可以看出，一级时比起与其并联的压敏电阻，一级的GDT管更容易导通，因此此时ZnO压敏电阻影响很小，还有可能压敏电阻可能一直没能完全导通。而二级时，气体放电管的点火电压为683.6 V，而压敏电阻的压敏电压为631.9 V，并且压敏电阻的压敏电压小，由于两者点火电压差距很小，为52 V，此时，导通情况是压敏电阻先导通，导通以后由于压敏电阻两端的大电流放电电压（压敏电压）很高，即631 V，因此能促使气体放电管动作，来泄放大电流。因此并一、二级时，并联处主要是通过气体放电管来泄放大电流。

图2 静态参数关系图Fig.2 Static parameter diagram

而并三级、四级以后，其ZnO压敏电阻的压敏特性得以体现出来，并联压敏电阻后，其点火电压下降很大，并三级差值为563 V，并四级时差值为694 V。并且级数上升时，并联后的点火电压没有变化，维持在616.5 V，说明此时的点火电压与压敏电阻密切相关，而与间隙距离的增大对点火电压影响几乎为零。其原因可能是压敏电阻的箝压性质，说明此时由于与压敏电阻并联的气体放电管的级数上升，即间隙距离增大，由此导致与压敏电阻并联的气体放电管更难导通，于是主要并联处是通过压敏电阻来泄放大电流。

2.3 辉光、弧光测试装置测试分析

2.3.1 工频电压与电流峰值

为了呈现出并联级数不同时，在弧光放电阶段，泄放大电流时的特性，因此把电流峰值与工频电压的关系画在图3中，来理解多级GDT管与压敏电阻并联配合使用时的放电性能优劣。峰值电流出现在弧光放电阶段，这是因为气体放电管的导通后，主要经过辉光放电和弧光放电两个阶段。在辉光放电阶段，在极间电场下电子和正离子分别向阳极、阴极漂移，并积聚在GDT两极附近，形成空间电荷区，但正离子比电子质量大很多，则电子的漂移速度远大于正离子，因而正电荷区比电子区密度大得多，由此整个GDT电压集中在阴极附近的狭窄区域内；并且特征为辉光电流小（几毫安），辉光阶段温度低，GDT管内有特别的亮区和暗区；而在弧光放电阶段，是气体高温下放电，电压不高，电流较大，因而电流峰值出现在弧光放电期间。就图3来说，上升关系呈现两个梯队，并且由图可看出，第一梯队体现出气体放电管工作特性的三组（不并联、并一、二级）和第二梯队中体现ZnO压敏电阻工作特性的两组（并三、并四级）近乎平行，其整体的平均上升斜率近似为1.3；这两个梯度间的平均相差值为0.3 A左右。

图3 工频电压与电流峰值Fig.3 Frequency voltage and current peak

2.3.2 工频电压与电压峰值

图4反映各级并联时，峰值电压，也就是组合器件内部电子雪崩瞬间整个器件的大电流放电电压与工频电压的关系，此关系反映了多级GDT管与ZnO压敏电阻的并联配合使用时，并联级数不同，其这一型号（631.95V）的ZnO压敏电阻对不同点火电压的GDT的箝位能力，它与ZnO压敏电阻的压敏电压直接相关。

图4 工频电压与大电流放电电压（峰值电压）关系Fig.4 Power frequency voltage and high current discharge voltage（peak voltage）relationship

图4中一方面，随着工频电压的上升，其峰值电压随着并联级数的增多（在气体放电管工作特性内）迅速降低，并且落差梯度也在上升，在不并联时，降低的落差值在0.38 kV左右，在1.32～1.7kV之间，并一级时，降低的落差值在0.58 kV左右，在1～1.58 kV之间，并二级时，降低的落差值在0.6 kV左右，在0.6～1.2kV，其斜率也分别为-0.27、-0.42、-0.42。说明不并联与并联后，在气体放电管的工作特性内，其大电流放电电压的限制程度不同，不并时，因为没有压敏电阻的箝压能力，随着工频电压上升，其大电流放电电压的减小要比并联压敏电阻时小，由此，可看出，其压敏电阻的箝压能力在并联后显示出来了，并且其并一，并二级后的斜率近似相同，可以知道，压敏电阻的箝压效果几乎相同。

另一方面，随着并联级数的上升，导通深度加强，其两端大电流放电电压呈下降趋势，无并联时，即有5级气体放电管上直接施加工频电压时，其由于间隙距离长，因此其导通瞬间电压很高，因此其峰值电压最高，而并一、二级时，由于ZnO压敏电阻有拉低气体放电管动作电压的能力，因此其大电流放电电压在下降。很明显，并二级时，整体的大电流放电电压是所有并联中最低的，这可能是因为二级的气体放电管的点火电压为683 V，在此二级处并联的此型号的ZnO压敏电阻的压敏电压是631 V，而在其他处时（并一级、并三级、并四级），两者电压差值都在400 V以上，因此气体放电管的点火电压与并联的压敏电阻的压敏电压差距不大时，则说明箝压能力最强。

2.3.3 工频电压与辉光放电时延

图5反映的是工频电压与并联级数不同时，辉光放电时延的变化关系，辉光放电时延是一个重要的参数，它能反应出组合器件在不同工频电压下导通后，从小电流转化为大电流放电的快慢程度。辉光放电时延主要与气体间隙的距离、气体种类、气压大小、电场强度的大小有关，在这里假设气压、气体种类都不变。因此只与辉光放电时延、气体间隙距离和电场强度有关。

图5 工频电压与辉光放电时延关系图Fig.5 Power frequency voltage and glow discharge delay diagram

在图5中，随着工频电压的上升，辉光放电时延呈下降趋势，这是因为，组合器件导通后，随着工频电压增大，两极间电场强度增大，则促进了电离，因此气体放电管就越容易导通；而辉光放电是指不完全导通，也就是气体只有微弱的电离，也就是辉光放电电流较小，因此其决定于施加的工频电压的大小，两级间电压越大，则电场越强，则电子越容易加速运动，碰撞更多中性原子或分子，获得更多地正离子和电子，GDT管内的电离加强，则导通时间就变短了。因此也能解释其辉光放电时间呈下降趋势。

对于不并联的5级气体放电管来说，在相同的工频电压下，辉光放电时延是最长的，原因是由于多级GDT串联，等效可以看成是放电间隙距离最大，因此要让这个长间隙完成大电流放电，在相同的电压下需要更长的时间，也就意味着要更长的辉光放电时间。

在分析了工频电压与峰值电压、峰值电流、辉光放电时延后，从3个图中可看出，随着工频电压增大，并二级时的导通效果是最好的。有3个方面的解释：1）从峰值电压分析，其大电流放电电压是所有情况中最低的，也就意味着，其导通时的大电流放电电压最低，2）从峰值电流分析，随着工频电压的抬升，其峰值电流在第一梯队，也就是展现气体放电管导通特性的这一梯队，也就意味着其泄放大电流能力很强。3）从辉光放电时延分析，因为辉光放电时延展现的是其气体放电管实现大电流泄放快慢的物理量，若辉光时延越短，则进入弧光阶段越快，由图5得到并二级时其辉光放电时延是最短的。综上所述，这一型号（压敏电压631.95 V）的氧化锌压敏电阻并此种多级气体放电管的二级（点火电压680.3 V）上其导通能力是最优的。说明当ZnO压敏电阻的压敏电压与GDT的点火电压相差不大时，配合效果最好。

2.3.4 工频电压与弧光放电时延

图6分析了随着工频电压的抬升，弧光放电时延呈上升趋势，但其弧光放电时延都是刚开始增加很快（在平均工频电压抬升值为0.27 kV时，平均值从5.7 ms上升到7.9 ms，同时平均斜率近似为8.1 ms/kV左右），后面开始增加速度变缓（在平均工频电压抬升值为1.1 kV时，平均值是从7.9 ms到9 ms，同时平均斜率近似为1 ms/kV），由这些数据可以得出弧光放电时间，在施加电压较小时，弧光时间较短，并且在工频电压小且上升幅度很小时，其弧光放电时间有很大的抬升空间，而当工频电压施加到一定值以后，工频电压再抬升时，其弧光放电时间抬升很少。原因可能是在工频电压小时，电场强度小，导致气体放电管内电离小，所以电流小，放电整个周期中，大部分维持在辉光放电阶段，则相比之下，弧光放电时间就短了。而此时当电压有微小的增加时，其气体放电管两极间所需的电场强度增强很明显，由此电子加速很快，碰撞中性原子和分子得到了更多正离子和电子；因此辉光时间瞬间缩短，由此弧光放电时间也因此增加。而当电压上升到0.27 kV左右，再继续增加电压，虽然能继续缩短完全导通时间，但由于气体分子或原子电离后的离子数量不再随着电压的加大而增加，因此弧光放电时间增加变化不大。

图6 工频电压与弧光放电时延图Fig.6 Power frequency voltage and arc discharge delay map

3 结论

针对实际应用中多级GDT管与ZnO压敏电阻的并联性能匹配问题，通过对多级气体放电管与氧化锌压敏电阻的不同配合方式进行工频电压源下辉光、弧光放电试验，找出多级气体放电管与ZnO压敏电阻的配合方法，得出以下结论：

1）当ZnO压敏电阻与GDT管并联时，ZnO压敏电阻的压敏电压与GDT管相近时，其峰值电流最大，大电流放电电压（峰值电压）最低，弧光放电时间最长，辉光放电电流也大，因此泄流效果较好，对选取SPD配合选择有一定的参考价值。

2）GDT管并联ZnO压敏电阻时，当压敏电压不高，且在并联级数低时，体现气体放电管工作特性；并联级数高时（压敏电阻的U1mA与并联处的气体放电管的点火电压相差很大），体现压敏特性，而此时，对压敏电阻的老化、劣化是不利的。并且，前者的峰值电流要比后者要大。

3）辉光放电电流随着工频电压的上升而上升，它与辉光放电时延有良好的对应关系，说明它与整个器件点火电压、并联的气体放电管的点火电压有关，等效的间隙距离（点火电压）越大，则辉光放电电流就越高。

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Performance Analysis of Glow and Arc Discharge for Multistage Gas Discharge Tube in Parallel with Zinc Oxide Varistor

LI Baoli
（School of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China）

For multistage gas discharge tube（GDT）and ZnO varistor μsed parallel problems，ac⁃cording to the working principle of the multi-level GDT and ZnO varistor，when the ZnO varistor in paral⁃lel with a series of GDT，the more parallel series，the more can effectively lower ignition voltage，and the characteristics of the shunt after breakdown.Using the theory of gas discharge device under power fre⁃quency voltage of glow，arc discharge test，After analyzing the relationship between glow，arc discharge voltage，time delay，current and power frequency voltage，it is concluded that the discharge influence of the static parameters of different series parallel combination device and the parameters of glow，arc matching effect;the greater between Static parameters of the pressure sensitive voltage difference and parallel GDT tube ignition voltage，the discharge characteristics of the easier from the switch type SPD to type pressure limiting type SPD.From experimental data the relationship between glow，arc parameters and the power frequency voltage and static parameters are explained，the glow，arc tests under 50 Hz voltage source，ZnO varistor in parallel with multistage GDT performance comparison method are put for⁃ward，in the practical application of the choice of the compound type SPD has a certain reference value.

glow；arc；the gas discharge tube；zno varistor；power frequency voltag

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.025

2017-05-19

李宝莉（1991—），女，在读硕士，研究方向：电力系统可靠性。