不同脉冲电流冲击下多级石墨间隙匹配特性研究

徐乐 曹洪亮 游志远 王成芳 陈建华

(1 江苏省扬州市气象局，扬州 225009; 2 吴江市建设工程质量检测中心有限公司，苏州 215000; 3 苏州市建筑科学研究院集团股份有限公司，苏州 215000; 4 江西省气象局，南昌 330046)

引言

随着电子信息技术的发展，计算机网络、电子监控等设备被广泛应用，通常这些设备的耐受过电压水平有限，极易遭受雷电过电压和雷击电磁脉冲的破坏[1-4]。在实际应用中，需要在设备前段安装浪涌保护器来保护设备安全。目前在低压配电系统中，常采用多级保护方式对设备进行雷电过电压防护。常用电涌保护器主要类型包括[5-9]：石墨间隙、气体放电管、半导体放电管、氧化锌压敏电阻、瞬态抑制二极管等。作为一级保护的浪涌保护器元器件石墨间隙属于电压开关型器件，其优点为通流能力大、分布电容小、绝缘电阻大；但同时存在响应速度慢、动作电压高、分散性大等问题。

针对石墨间隙在雷电防护领域的应用，国内外学者都进行了相应研究，Scheibe等提出石墨间隙的多级触发结构能够有效降低电压保护水平；邓猛等[10]提出增加高压触发电容装置提升石墨间隙的灭弧能力；李黎等[11]提出平均粒径较小的纯石墨材料制作的空气间隙具有更狭窄的自击穿电压统计分布；李三强等[12]提出石墨电极与接头配合的关系对电极加工具有重要意义。以上研究都局限于器件自身结构性能的研究，并未针对性研究间隙距离等核心要素对石墨间隙保护特性的影响。

本文根据汤逊气体放电理论并结合石墨间隙特性，在1.2/50 μs开路电压波和8/20 μs短路电流波冲击试验条件下，研究间隙距离对于石墨间隙电压保护水平、响应时间、通流和残压等性能参数的影响，为低压配电系统中一级开关型电涌保护器的设计提供有益参考。

1 石墨特性和间隙结构

石墨作为已知最耐高温的材料之一，熔点达3652 ℃，能够有效抵御雷电流通过保护间隙时瞬间产生的高温熔融，是十分理想的防雷材料。同时石墨具有良好的导电导热性，比一般非金属高100倍。常温下石墨化学性能稳定，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀，适用于恶劣工况场地。相较于氧化锌压敏电阻其在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹，抗热震性优异且可塑性强[13-14]。

石墨间隙电涌保护器由多层石墨片和白色聚乙烯绝缘环组成(图1)，主要利用多层间隙连续放电，每层放电间隙相互绝缘，该叠层技术不仅能够减小续流而且极大地提升器件的通流能力。

图1 石墨间隙电涌保护器实物(a)及拆分(b)结构

2 间隙击穿原理

根据汤逊气体击穿理论[15-16]，气体放电过程是离子在电场作用向阳极方向运动，与气体粒子频繁碰撞，电离产生大量电子和正离子。正离子向阴极方向运动，撞击阴极表面而使阴极表面电离产生电子发射。二次发射的电子从电场中获得足够的动能参与到气体的碰撞电离，随着带电粒子像雪崩式的增值，最终导致间隙气体击穿。其表达式为：

α=Ape-Bp/E

(1)

式中：α为汤逊第一电离系数，表示气体间隙中1个电子沿电力线方向每行进1 cm时平均发生的电离碰撞数目；A为与气体性质相关的常数；B=AUi，Ui为气体电离电位；p为气压；E为电场强度。

由汤逊气体自持放电条件，也称为击穿判据为：

γ(eαd-1)=1

(2)

式中：γ表示正离子撞击阴极表面时平均从阴极表面逸出的次级电子数目；d为气体间隙距离。

根据自持放电条件导出均匀电场击穿电压VS的表达式为：

(3)

其中,在气体种类和阴极材料确定的前提下，A、B和γ都是可知的常数，即温度不变时，气体间隙的击穿电压VS是气压p和间隙距离d乘积的函数，与电极材料无关。这就说明本文选择石墨间隙的间距作为研究对象是有理论依据的。

3 试验方法及结果

3.1 试验材料及测试方法

选用同一厂家同一批次圆形石墨片若干：直径20 mm，厚度2 mm；白色聚乙烯绝缘环垫片：厚度0.5 mm，内径为18 mm，外径22 mm，每个石墨片逐级相叠中加垫绝缘环，使得石墨片与石墨片之间形成0.5 mm间隙。分别用石墨片逐级叠加不同间隙距离的石墨型SPD来做试验，首先采用LPL-1型1.2/50 μs开路电压发生器，施加不同幅值冲击电压分别测得对应的电压保护水平，由于石墨间隙SPD分散性大，每种间隙的开启电压测试10次，取平均值。采用上海交大SJTU-ICG-150冲击电流试验系统，试验回路如图2所示[17]，该试验回路功能产生幅值为15 kA，10 kA，15 kA，20 kA的8/20 μs短路电流波，每种冲击电压试验间隔为3 min，确保石墨间隙试样冷却到试验室环境温度,冲击过程中施加于石墨间隙上的残压、通流通过TEK DPO3012数字示波器实时显示并存储。

图2 试验回路

3.2 石墨间隙电压保护水平

电压保护水平UP是衡量SPD性能的重要参数之一[18-19]，表征石墨间隙对雷电过电压的钳位保护能力，即当线路中出现雷电过电压时，石墨间隙能够迅速截断雷电波，并迅速将雷电能量泄放入地，使得SPD的电压保护水平限制在一个安全范围内。根据IEC相关标准规定，间隙型SPD的UP定义为：对SPD施加1.2/50 μs开路电压波，当间隙型SPD发生击穿时对应的电压值即为SPD的电压保护水平。UP能够有效反映间隙型SPD的箝压性能，UP值越低，雷电过电压保护水平越高。

表1是在不同幅值开路电压冲击下不同级数石墨间隙SPD电压保护水平。表明：UP值随着冲击电压的增加而增加，且随着石墨级数的增加，出现了未击穿现象。当石墨级数叠加超过4片且冲击电压为3 kV以上时，UP值已经大于2.5 kV，根据GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》，低压配电系统中第一类防雷建筑所安装的电涌保护器应选用I级试验产品，其电压保护水平应小于或等于2.5 kV。所以石墨型SPD的石墨级数不建议超过4片，但石墨级数过少又会影响灭弧切断续流能力，故需进一步探究具体的石墨间距对于石墨型SPD性能的影响，而不仅仅是取决于单纯的级数叠加。

表1 石墨间隙在1.2/50 μs冲击下电压保护水平UP kV

已知两片石墨片之间的间隙距离为0.5 mm，以此类推，以5 kV冲击幅值为例，图3为不同间距下石墨间隙SPD电压保护水平变化曲线。

图3 5 kV冲击幅值不同间隙下石墨型SPD电压保护水平

从图3中可知，UP值随着间隙距离的增加而增加，且间隙距离大于2.0 mm后，UP值的增加呈放缓趋势。当间隙距离为0.5 mm时即2片石墨片叠加，UP值为1.93 kV，当间隙距离为2.0 mm时即5片石墨片叠加，UP值远远大于2.5 kV。可见石墨型SPD的间隙距离应控制在2.0 mm以下。

3.3 多级石墨间隙动作响应时间特性

石墨间隙的响应时间主要取决于放电电压两端的跌落时间[20]，即放电电压从波尾峰值的90%降至波尾10%之间的时间。

利用1.2/50 μs开路电压波对不同间隙距离的石墨间隙进行多次不同脉冲电压冲击(图4)。图4a为单片石墨间隙在5 kV电压冲击下的波形，响应时间为1.8 μs，图4b为5片石墨间隙在5 kV电压冲击下的波形图，从图上可以看到在波前电压段有几个锯齿状波动，这是由于多片间隙逐级击穿造成的，每级间隙逐级释放雷电流能量，即能减轻雷击对器件本身的损害，又能提升器件整体的通流能力，相应的整体响应时间延缓到3.6 μs。由此可见，多片石墨间隙较单片石墨间隙响应时间要长，即石墨间隙距离越长，相应的响应时间越长。通常来说，浪涌保护器的动作时间是越快越好，但基于多级石墨间隙是逐级击穿，此处响应时间为整体的累加时间，本质上并没有拉低器件整体性能，相反，叠加后的石墨型SPD耐受更强，通流更大。

图4 5 kV冲击电压不同间距下单片间隙(a)及5片间隙(b) 的响应时间

3.4 多级石墨间隙箝压通流特性

利用不同幅值的8/20 μs短路电流波对不同级数的石墨型SPD进行冲击得到图5和图6。

图5 不同幅值的8/20 μs短路电流波冲击下残压变化

图6 不同幅值的8/20 μs短路电流波冲击下通流变化

由图5和图6可知，在8/20 μs短路电流波不同幅值冲击下，石墨间隙的残压和通流都随着石墨级数的增加而增加，这是因为随着石墨级数的增加，间隙距离越大，石墨间隙响应时间越长，所需要施加的冲击电压越大，相应的残压也就越大。这与巴申定律u=f(pd)所描述的放电间隙由小变大，直流放电电压也随之增大，相一致。间隙越大，就更容易实现多层间隙连续放电，所以间隙大的释放的能量要大于间隙小的石墨间隙所释放的能量。但当级数为4时，残压和通流增长开始放缓，尤其是当冲击电流为15 kA和20 kA时，石墨间隙的残压和通流变得越来越有限，这是因为当雷电流侵入石墨型SPD时，内部高压电容短路，将雷电流能量瞬间传导到与之连接的石墨电极上，此时靠近侵入端的第一级间隙的阴阳极之间会产生电位差将间隙击穿，同时将一部分雷电泄放入地，然后从上往下间隙依次启动逐级导通，但随着雷电流的进一步释放，后级间隙需要释放的雷电流能量变得有限，也就出现以上石墨间隙后期残压通流增长滞缓的现象，侧面说明了合理的石墨级数即有效的石墨间隙距离能够更好的发挥石墨型SPD的箝压通流水平。

3.5 多级石墨间隙残压比特性

残压比是衡量SPD性能的一项重要指标[21-22]，残压比=Ures/U1mA即残压与压敏电压(通过电流为1 mA时的电压)之比值。残压比越小，则表征SPD的性能愈好。

图7所示，以10 kV电压冲击为例，石墨间隙的石墨级数与残压比呈负相关，即间隙距离越大，残压比越小，但当石墨级数超过4片以后，残压比值呈现放缓现象，再次说明石墨型SPD的性能最优化不是简单的石墨片叠加，更不是越多越好。因此，对于多级石墨型SPD间隙距离的设计，在p、d一定的条件下，应当设置合理的间隙距离区间，以期达到最优的箝压泄流效果。

图7 10 kV电压冲击下石墨间隙残压比变化

4 结论

针对低压配电系统中石墨间隙不同间距配合使用问题，通过不同脉冲电流冲击下石墨间隙电压保护水平、动作响应时间、残压、通流等特性参数的变化规律，得出以下结论：

(1)在1.2/50 μs开路电压波试验中，石墨间隙电压保护水平UP随着间隙距离的增加而增加，但在间隙距离超过2 mm时，UP值远大于IEC规定的2.5 kV。

(2)在8/20 μs短路电流波试验中，石墨间隙的残压、通流和动作响应时间都随着石墨级数的增加而增加，且间隙距离与残压比呈负相关关系。

(3)在设计研发多级石墨型SPD时，应结合石墨间隙距离等核心因素综合考虑，从控制成本，性能最优的角度出发，建议生产厂家将石墨型SPD的间隙距离控制在2.0 mm以下。