CN101588063A - 大功率低残压防雷模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模块化大功率低残压防雷模块。本发明针对现有技术的大功率防雷装置结构复杂、配置困难，且很难达到大功率和低残压防护水平的缺点，公开了一种采用对称矩阵串并联技术和模块化结构的大功率低残压防雷模块。本发明的技术方案是，大功率低残压防雷模块，包括输入端和输出端，所述输入端和输出端之间至少有2条并联支路，每条支路由限压型SPD器件和开关型SPD器件串联构成；其特征在于，每条支路中串联的限压型SPD器件和开关型SPD器件具有基本相同的结构参数和电气参数；并且电流从输入端到输出端流经每条支路时，所经过的路径具有基本相同的结构参数和电气参数。本发明用于感应雷电的防护。

Description

大功率低残压防雷模块
技术领域
本发明涉及防雷技术，特别涉及一种模块化大功率低残压防雷模块。
背景技术
电涌保护器(Surge protection Device)是防雷技术中的一种重要装置，主要用于感应雷电的防护。也可以称为“避雷器”或“过电压保护器”，英文简写为SPD。电涌保护器的作用是把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。
电涌保护器的类型和结构按不同的用途有所不同，目前用于电涌保护器的基本元器件有：放电间隙、充气放电管(GDT)、压敏电阻(MOV)、抑制二极管和扼流线圈等。
根据SPD器件的工作原理，主要分为开关型SPD器件和限压型SPD器件。另外还有分流型或扼流型SPD器件，其与本发明关系不大，这里不作介绍。
开关型SPD器件：其工作原理是在没有瞬时过电压时呈现为高阻抗，但一旦响应雷电瞬时过电压时，其阻抗就突变为低值，允许雷电流通过。此类器件主要有：放电间隙、GDT、闸流晶体管等。
限压型SPD器件：其工作原理是当没有瞬时过电压时为高阻抗，随着电压的增加其阻抗会不断减小，其电流电压特性呈强烈的非线性特性。此类器件的代表有：MOV(一般材料为ZnO)、抑制二极管、雪崩二极管等。
GDT由相互离开的一对冷阴板封装在充有一定惰性气体(Ar)的玻璃管或陶瓷管内组成。为了提高放电管的触发概率，在放电管内还充有助触发剂。这种充气放电管有二极型的，也有三极型的。
GDT的技术参数主要有：直流放电电压Udc；冲击放电电压Up(一般情况下Up≈(2～3)Udc；工频耐受电流In；冲击耐受电流Ip；绝缘电阻R(＞10GΩ)；极间电容(1-5PF)以及结构尺寸等。
MOV是以ZnO为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻，当作用在其两端的电压达到一定数值后，电阻对电压十分敏感。它的工作原理相当于多个半导体P-N的串并联。压敏电阻的特点是非线性特性好(I＝CUα其中α为非线性系数)，通流容量大(约为2KA/cm2)，常态漏电流小(10-7～10-6A)，残压低(取决于压敏电阻的工作电压和通流容量)，对瞬时过电压响应时间快(可达ns级)，无续流。
压敏电阻的技术参数主要有：压敏电压(即工作电压)UN，参考电压Ulma；残压Ures；残压比K(K＝Ures/UN)；最大通流容量Imax；漏电流；响应时间以及结构尺寸等。
根据目前技术条件下的SPD器件，单片MOV要达到通流容量70kA以上的电浪涌防护水平，不但器件价格非常高，而且由于通流容量的增加，残压大幅度提高，根本达不到残压≤1.2kV的要求。为了满足通流容量≥70kA，残压≤1.2kV的雷电防护要求，现有技术通常的方案是采用两级串联雷电防护技术，如德国DEHN盾的产品就采用了这种技术。该技术要求两级防护之间应有10～15m以上的距离，如果配置距离达不到要求，则需要串接退藕电感。这种技术不但安装配置工程复杂、造价高，而且退藕电感的安装还受到负载电流的牵制。如果不采用退藕电感，而在前级安装点火放电间隙，则要求严格的能量匹配。对于各种不同的雷电脉冲波形以及千差万别的使用环境，很难达到高通流容量和低残压的雷电防护要求，而且可靠性极差，在实际工程中无法推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术的大功率防雷装置结构复杂、配置困难，且很难达到大功率和低残压防护水平的缺点，提供一种采用对称矩阵串并联技术和模块化结构的大功率低残压防雷模块。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，大功率低残压防雷模块，包括输入端和输出端，所述输入端和输出端之间至少有2条并联支路，每条支路由限压型SPD器件和开关型SPD器件串联构成；其特征在于，每条支路中串联的限压型SPD器件和开关型SPD器件具有基本相同的结构参数和电气参数；并且电流从输入端到输出端流经每条支路时，所经过的路径具有基本相同的结构参数和电气参数；
具体的，每条支路通流容量≥35kA，残压≤1.2kV；
具体的，所述并联支路为3条，每条并联支路通流容量为40kA。
优选的，所述限压型SPD器件为压敏电阻，所述开关型SPD器件为气体放电管；
进一步的，所有并联支路封装在一个标准模盒中；
具体的，所述标准模盒为2N标准模盒，其结构尺寸为：90×36×67mm；
进一步的，每条支路串联有脱扣保护装置，当某支路电流和/或温度超过设定值时，所述脱扣装置动作，切断该支路；
进一步的，所述脱扣装置动作时发出报警信号。
本发明的有益效果是，两种不同的SPD器件进行串并联组合，充分发挥不同SPD器件的长处，并能够有效抑制其短处。能够实现高通流容量和低残压指标，进一步采用标准模块结构，方便安装和维护。
附图说明
图1是本发明电路结构示意图；
图2是实施例的电路结构示意图；
图3是实施例的产品结构尺寸示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
本发明的大功率低残压防雷模块，结构如图1所示，在输入端I和输出端O之间至少有2条并联支路(图1中示出了3条)。每条支路由限压型SPD器件和开关型SPD器件串联构成，由于每条支路中串联的限压型SPD器件和开关型SPD器件具有基本相同的结构参数和电气参数，利用并联支路的分流原理，通流容量可以增加3倍。为了保证电流从输入端到输出端流经每条支路时，所经过的路径具有基本相同的结构参数和电气参数，图1中连接各支路的部件λ1、λ2、λ3和λ4，也采用结构尺寸相同的导电材料构成，并且输入端I和输出端O布置在并联支路组成的模块两端。如果输出端与输入端处于并联支路的同一侧，如图1中虚线所示的输出端P，即使各并联支路结构参数相同、部件λ1、λ2、λ3和λ4结构尺寸及电气特性相同，电流流经支路1、支路2和支路3时经过的路径长度也不相同。可以看出，电流从输入端I流经支路1到达输出端P，将比电流从输入端I流经支路2到达输出端P所经过的路程少了λ1和λ3这一段。而对于输出端O，无论电流经过哪条支路，在上述配置的情况下，电流流经的路程都是相同的，即流经两个连接支路的部件和一个支路。由于雷电流脉冲峰值高(可达100kA以上)，边沿陡峭(平均陡度约30kA/μs)，其谐波成分丰富，谐波能量大。如果电流流经各支路的分布参数相差太大，就会使各支路的电流负荷不均匀，往往造成负荷大的支路损坏或提前损坏，降低雷电防护装置的可靠性。采用本发明的技术方案，可以避免发生这种情况。只要各支路选用的SPD器件为相同规格型号的产品，连接各支路的部件λ1、λ2、λ3和λ4采用结构尺寸相同的导电材料，就可以满足本发明所述的“基本相同的结构参数和电气参数”的要求。当采用3条支路时，只要每条并联支路通流容量≥35kA，就可以保证模块的通流容量达到100kA。
实施例
本例大功率低残压防雷模块，在输出端I和输出端O之间有3条并联支路。每条并联支路都串联有脱扣保护装置，用于支路过流和超温度保护。当某支路电流或温度超过设定值时，脱扣装置都会动作，切断该支路，并发出报警信号。并联支路1中的限压型SPD器件采用压敏电阻MOV1，开关型SPD器件采用气体放电管GDT1，该支路的脱扣保护装置SF1串接在电路中。并联支路2则由保护装置SF2、压敏电阻MOV2及气体放电管GDT2依次串联构成；并联支路3则由保护装置SF3、压敏电阻MOV3及气体放电管GDT3依次串联构成。如图2所示。图2中，S端口为报警信号输出端口，可以连接各种控制系统，实现远程监控。图2中，每条并联支路的压敏电阻规格型号相同；每条并联支路的气体放电管规格型号相同。压敏电阻的通流容量为40kA，工作电压为450V，气体放电管选用冲击放电电压600V的产品，每条并联支路通流容量为40kA。由于选用了通流容量较小的MOV芯片，可以保证残压≤1.2kV，3条支路并联能够保证本例防雷模块的通流容量达到100kA。
本例的所有并联支路均被封装在一个2N标准模盒中，N为供配电领域的模数单位，2N标准模盒的结构尺寸为：90×36×67mm。参见图3。这种封装结构便于与供配电系统中的其他标准件配合，组成各种防雷保护装置。
虽然压敏电阻存在漏电流，但气体放电管不存在漏电流，串联后气体放电管可以切断漏电流。气体放电管存在跟随电流的问题，与压敏电阻串联后，压敏电阻对其具有一定的限流作用，可以及时地中断跟随电流。本发明采用两种器件串联使用的方式，达到了扬长避短的效果。
本发明的大功率低残压防雷模块，使用的时候可以并联在相线与地之间，或零线与地之间以及相线和零线之间。由于采用并联接入的保护模式，与被保护装置的负载电流无关。可以非常方便地接入供配电系统，实现防雷保护。

Claims (10)

1.大功率低残压防雷模块，包括输入端和输出端，所述输入端和输出端之间至少有2条并联支路，每条支路由限压型SPD器件和开关型SPD器件串联构成；其特征在于，每条支路中串联的限压型SPD器件和开关型SPD器件具有基本相同的结构参数和电气参数；并且电流从输入端到输出端流经每条支路时，所经过的路径具有基本相同的结构参数和电气参数。
2.根据权利要求1所述的大功率低残压防雷模块，其特征在于，每条支路通流容量≥35kA，残压≤1.2kV。
3.根据权利要求2所述的大功率低残压防雷模块，其特征在于，所述并联支路为3条，每条支路通流容量为40kA。
4.根据权利要求1、2或3所述的大功率低残压防雷模块，其特征在于，所述限压型SPD器件为压敏电阻，所述开关型SPD器件为气体放电管。
5.根据权利要求4所述的大功率低残压防雷模块，其特征在于，所有并联支路封装在一个标准模盒中。
6.根据权利要求5所述的大功率低残压防雷模块，其特征在于，所述标准模盒为2N标准模盒，其结构尺寸为：90×36×67mm。
7.根据权利要求4所述的大功率低残压防雷模块，其特征在于，每条支路串联有脱扣保护装置，当某支路电流和/或温度超过设定值时，所述脱扣装置动作，切断该支路。
8.根据权利要求7所述的大功率低残压防雷模块，其特征在于，所述脱扣装置动作时发出报警信号。
9.根据权利要求1、2或3所述的大功率低残压防雷模块，其特征在于，每条支路串联有脱扣保护装置，当某支路电流和/或温度超过设定值时，所述脱扣装置动作，切断该支路。
10.根据权利要求7所述的大功率低残压防雷模块，其特征在于，所述脱扣装置动作时发出报警信号。
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