CN101895108A

CN101895108A - 电涌保护系统

Info

Publication number: CN101895108A
Application number: CN2009100514841A
Authority: CN
Inventors: 尹天文; 许年生; 王碧云; 刘明东; 蒋容兴; 张玄; 马跃乾
Original assignee: Shanghai Dianke Electrical Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Electrical Apparatus Research Institute Group Co Ltd; Shanghai Dianke Electrical Technology Co Ltd
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2009-05-19
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2029-05-19
Also published as: CN101895108B

Abstract

本发明的实施例揭示了一种电涌保护系统，包括：电涌保护器，该电涌保护器由一个多点火花触发电涌保护装置组成，或者该电涌保护器由多个串联的多点火花触发电涌保护装置组成；旁路系统，与电涌保护器并联，旁路系统的导通电压等于或高于多点火花触发电涌保护装置中的触发电路的非线性电阻的导通电压。本发明技术方案能够具备更低的电压保护水平值和MOV级的响应特性、以及开关型电涌保护器的大通流能力的特点，并可通过多点火花触发电涌保护装置与后级限压型电涌保护器零距离配合使用达到该技术方案的要求。

Description

电涌保护系统

技术领域

本发明涉及低压电器领域，更具体地说，涉及一种用于保护低压配电系统及其电气设备的电涌保护系统，对由雷电引起的瞬态过电压下相线与地线(或中性线)之间起均压或降低两者之间的电位差的作用。

背景技术

随着社会的不断发展，电子信息技术已经深入到国民社会当中，特别是在通讯、金融、石油化工、电力以及交通等领域，可以说电子信息技术时时刻刻在影响着我们的社会。如何保证他们正常运行的安全问题也随着他们的深入发展而被提到了新的高度，特别是自然灾害带来的安全隐患极其巨大，其中雷电是电子信息技术面临的重大安全问题之一。

为创建信息电子设备免遭雷电干扰环境，特别是由雷电感应产生的干扰，人们通常安装电涌保护器来进行钳压和/或泄流，并为此编制了较多的技术规范或标准，特别是国际上通用的分级保护技术，对抑制雷电损害起了巨大的作用，并形成了用具有大通流容量的开关型电涌保护器来对LPZO_B区域进行防护，该级电涌保护器的主要目的是对雷电流进行最大量的泄放，能够最大限度的减少雷电的感应电流，但仍然存在较高的雷电脉冲电压和剩余部分雷电感应电流。LPZ1区域内安装的电涌保护器的主要目的是对雷电脉冲电压进行钳压并进一步衰减雷电感应电流。如果信息设备还不能承受LPZ1区域内电涌保护器的电压保护水平，还在LPZ2区域内装设电涌保护器进行钳压，直到信息设备能够承受的范围为止。

上述保护措施能够用于大部分雷电防护需要，但存在一些问题。该防护措施的最大要求是不同区域安装的电涌保护器之间保持一定的距离，特别是对开关型电涌保护器和限压型电涌保护器之间，以免出现盲点，但对需要进行雷电分级防护的小建筑物，如一些通信基站，根本没有分级防护措施所需要的空间。为了满足分级防护的需要，通常人为地在开关型电涌保护器和限压型电涌保护器之间加上退耦器或类似措施，这种解决方式既带来安装空间的压力，又提高了成本，同时还受到退耦器额定电流的制约。

目前，开关型电涌保护器采用变压器触发技术实现低电压情况下的触发，但由于受脉冲变压器触发能量的限制，通过触发电极点火的能量非常小，这就意味着对触发电极启动主电极点火的能力较弱，需要将被触发的主电极间距控制在很小的范围内才能够被可靠点火，而将主电极的间距设置的很小又会严重地削弱开关型电涌保护器的另外一个性能——遮断续流的能力，增大主电极的间距又会降低触发的可靠性，而且，这种可靠性对于在与限压型电涌保护器作零距离配合使用时也是非常关键的。

为了平衡两者的技术矛盾，通过对触发技术的改进，形成了以非线性元件为主的持续性触发技术，即触发电弧形成后一直维持到主放电电路导通为止，由此可大大地提高了触发的稳定性和可靠性，又为提高开关型电涌保护器的遮断续流能力提供了空间。例如CN101227088A公开了这类电涌保护器技术，在这种技术中，通过多点火花触发主间隙(开关型SPD，下同)，使得大部分的电涌能量通过主电路得到泄放，从而实现电涌保护的目的。这种装置的工作方式，是依靠电容和非线性电阻所对应的电极逐个击穿并形成串联的触发电弧，触发电弧在一定的时间内持续改变主放电电极间的击穿环境，最终达到迫使主放电电极击穿放电的目的。在该放电过程中，由于触发电弧影响主放电电极间放电环境需要一定的时间，因此，触发电弧及与之串联的触发元件形成的电压降将被看成是产品残压的一部分。

现有技术提出的解决方案存在以下的缺点：

对于开关型电涌保护器而言，一般特征是，泄放电涌能量时产生的电弧电压是很低的、持续时间较长。而在对电涌响应初始阶段并开始放电的时间区域内会形成一个高的电压跌落点，该点即为动作电压值，数值远远高于电弧电压降，故将其看成主要压降，通常会代表产品的电压保护水平。对于多点火花触发电涌保护器，采用了多点火花触发技术，虽然降低了动作电压的数值，但由于在最后一个环节设置了非线性电阻作为持续触发元件，使得泄放雷电脉冲的总压降U_res′仍然保持高的水平。总压降U_res′可用以下公式表示：

U_res′＝U_ch′+U_L′+U_Z′

上面的式子中，U_res′表示主间隙击穿前多点火花触发电涌保护器的总体残压；

U_ch′表示触发电弧的压降；

U_L′表示连接导体的压降；

U_Z′表示触发电路中非线性电阻的压降。

从上式可以看出，相对于同等持续工作电压的限压型电涌保护器，在相同峰值电流作用下，残压要高一个U_ch′；

此外，由于触发电路中的非线性电阻在触发时间内承受部分电涌能量，此时的有效使用截面积相对上述限压型电涌保护器采用的氧化锌压敏电阻(MOV)要小很多，因此，在其他同等条件下，多点火花触发电涌保护器的主间隙在没有击穿放电前的时间内有如下的关系：

R_非′＞R_非

即：U_Z′＞U_非

式中：

R_非′表示多点火花触发电涌保护器触发回路中非线性电阻MOV的动态电阻值；

R_非表示为限压型电涌保护器中非线性电阻MOV的动态电阻；

U_非表示为限压型电涌保护器中非线性电阻MOV的电压降。

此外，尽管多点火花触发电涌保护器装置的动作电压可以设置成较低的水平，但由于微触发间隙的制造技术限制以及需要一定的电弧耐受能力，触发电弧的产生需要一定时间。该时间要比半导体器件慢上许多，这种特性决定了其动作电压与要施加的电压的波形陡度息息相关，其表现特征是多点火花触发电涌保护装置的动作电压随着要施加的波形的电压陡度的增加而增加。

发明内容

本发明的实施例提供一种电涌保护系统，解决了现有技术中的上述问题。

根据本发明的一实施例，提供一种电涌保护系统，包括：

电涌保护器，该电涌保护器由一个多点火花触发电涌保护装置组成，或者该电涌保护器由多个串联的多点火花触发电涌保护装置组成；

旁路系统，与电涌保护器并联，旁路系统的导通电压等于或高于多点火花触发电涌保护装置中的触发电路的非线性电阻的导通电压。

根据一实施例，电涌保护器的最大持续工作电压U_多、旁路系统的最大持续工作电压U_旁、电涌保护器中的非线性电阻的最大持续工作电压U_触 _发、以及电涌保护系统的最大持续工作电压U_系统满足下述的条件：

U_多＝U_旁＝U_触发≥U_系统。

根据一实施例，旁路系统由一个非线性电阻组成，或者旁路系统由多个非线性电阻串联或并联组成。

根据一实施例，旁路系统是具有非线性电阻的限压型电涌保护装置。

根据一实施例，非线性电阻是氧化锌压敏电阻。

根据一实施例，电涌保护器由一个多点火花触发电涌保护装置组成，旁路系统由一个具有非线性电阻的限压型电涌保护装置组成。

根据一实施例，电涌保护器由通过短接线或短接排串联的两个多点火花触发电涌保护装置组成，旁路系统由一个具有非线性电阻的限压型电涌保护装置组成。

根据一实施例，电涌保护器包括两个独立串联的触发电路以及两个独立串联的主放电模块，该串联后的触发电路的两端分别与串联后的主放电模块的两端进行并联；旁路系统由一个具有非线性电阻的限压型电涌保护装置组成。

根据一实施例，两个独立串联的触发电路中的两个压敏电阻通过一机械脱扣同时进行监控并作出劣化响应。

根据一实施例，机械脱扣是温度保险丝。

本发明技术方案能够具备更低的电压保护水平值和MOV级的响应特性、以及开关型电涌保护器的大通流能力的特点，并可通过多点火花触发电涌保护装置与后级限压型电涌保护器零距离配合使用达到该技术方案的要求。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，在附图中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1揭示了根据本发明的第一实施例的电路原理图；

图2揭示了根据本发明的第二实施例的电路原理图；

图3揭示了根据本发明的第三实施例的电路原理图；

图4a和图4b揭示了根据图1所示的第一实施例的实现结构图；

图5揭示了图4a和图4b所示的结构在同等脉冲电流冲击下的残压波形对比图。

具体实施方式

本发明的实施例提出一种电涌保护系统，其包括电涌保护器以及与电涌保护器并联的旁路，其中的电涌保护器由一个多点火花触发电涌保护装置或多个串联的多点火花触发电涌保护装置组成，与电涌保护器并联的旁路系统的导通电压要等于或高于多点火花触发电涌保护装置中的触发电路的非线性电阻的导通电压，同时也要满足系统工作电压的需要。最佳的方案是导通电压都相同，但不低于系统的最大持续电压，即：

U_多＝U_旁＝U_触发≥U_系统

式中，

U_多表示由一个多点火花触发电涌保护装置或多个串联的多点火花触发电涌保护装置组成的电涌保护器的最大持续工作电压；

U_旁表示旁路系统的最大持续工作电压；

U_触发表示由一个多点火花触发电涌保护装置或多个串联的多点火花触发电涌保护装置组成的电涌保护器中触发电路的非线性电阻的最大持续工作电压；

U_系统表示该电涌保护系统的最大持续工作电压。

根据本发明的实施例，可以要求该旁路系统在不同波形的电压陡度作用下具有平缓变化的冲击响应特性曲线。

根据上述表述，可以设定该旁路系统采用一个非线性电阻或多个非线性电阻串联或并联组成，其中，最佳的方案是采用一个具有非线性电阻的限压型电涌保护器构成该旁路系统，其中的非线性电阻首选氧化锌压敏电阻(MOV)。

如此设置，形成有利的情况，在采用了由限压型电涌保护器构成的旁路后，可以得到如此条件，将复杂的且不可预知的电涌波钳制成一定规律的压敏电阻的伏安特性曲线，一方面有效改善了电涌波形的上升陡度的不确定性，另外，避免大的电涌能量通过多点火花触发电涌保护器时形成的高的压降U_res′。

为此，本发明的电涌保护系统根据电涌保护器的组成和旁路系统的组成，具有不同的实现形式：

其中的电涌保护器可以包括一个多点火花触发电涌保护装置或多个串联的多点火花触发电涌保护器；

其中的旁路系统可以包括一个非线性电阻或多个串联的非线性电阻，或者是一个具有非线性电阻的限压型电涌保护器，或者是多个串联的具有非线性电阻的限压型电涌保护器；

多个触发电涌保护装置之间、多个非线性电阻之间、多个具有非线性电阻的限压型电涌保护器之间，以及所形成的电涌保护器和旁路系统之间通过多个短接铜排或者短接线实现电气连接。

按照本发明设计原理，当遇到不可预知的雷电脉冲波施加在本发明装置上并，其电压超过预定值时，旁路系统中的限压型电涌保护器首先响应并将雷电脉冲波钳制为比较平滑的，类似直流性的电压波，当该平滑波形的电压幅值低于由一个或多个多点火花触发电涌保护装置组成的电涌保护器(主泄放路径)的放电电压预定值时，那么就仅由旁路系统完成整个雷电脉冲的泄放；当该平滑波形的电压幅值高于由一个或多个多点火花触发电涌保护装置组成的电涌保护器(主泄放路径)中触发电路的放电电压预定值时，此主泄放路径将启动并由其中的触发电路进行点火，在点火持续一段时间(通常是几个微秒)后，主泄放路径中的主放电间隙进行工作并将装置两端的电压降钳制在电弧电压水平左右，由于此电压低于旁路系统和由一个或多个多点火花触发电涌保护装置组成的电涌保护器(主泄放路径)中的触发电路的工作电压，因此，后续的雷电脉冲波将完全由主泄放路径中的主放电间隙进行工作。

因此，根据本发明设计，在面对能量较弱的但幅值较高的电涌电压波时，该电涌保护系统在能够不启动多点火花触发电涌保护装置的主间隙放电情况下，仅由旁路系统即限压性电涌保护器泄放电涌能量——也就是说在旁路系统的作用下仍然具备电涌能量泄放的能力；而在能量值高的电涌作用下，能够快速地启动多点火花触发电涌保护装置的主间隙进行电涌能量的泄放并自动关闭旁路系统——避免大雷电脉冲对限压性电涌保护器造成破坏。

由于该旁路系统选用了半导体器件，从而得到该旁路系统对过电压脉冲波的响应特性比多点火花触发电涌保护装置要快，也因此具备了泄放雷电脉冲路径的选择性。

在本发明中，对旁路系统的雷电脉冲泄放能力选择方面：考虑到后级限压型电涌保护器针对10/350μs波形时的通流能力，将3kA幅值的波形能量作为能量泄放路径转移的界点，在低于该能量数值下的过电压波形仅由限压型电涌保护器进行泄放，而高于该能量的波形需要启动多点火花触发电涌保护装置进行泄放，以此形成本发明技术的泄放雷电脉冲路径的选择。

通过对两种波形的积分计算，得到10/350μs脉冲波的能量与8/20μs脉冲波的能量之比为5∶1，再加上25％的余量，选取旁路系统的雷电脉冲标称放电电流(8/20μs)应为：

I＝3×5÷(1-25％)＝20(kA)

如上所述，可采用n个多点火花触发电涌保护装置串联后再并联一个旁路系统，该旁路系统由一个或多个串联的氧化锌压敏电阻MOV(非线性电阻)组成。

此外，通过并联旁路系统后可以得到如此优势，即本发明的电涌保护系统在主放电间隙击穿放电前的瞬间总阻抗要小于多点火花触发电涌保护装置主放电间隙击穿放电前的瞬间总阻抗以及小于所并联的旁路系统的总阻抗，这意味着在同等条件下，并联旁路系统后装置电压降的最高点低于上述两个实体的电压降，如此实现了降低电压保护水平值的目的。

上面介绍了本发明的电涌保护系统根据电涌保护器的组成和旁路系统的组成可以具有不同的实现形式：

电涌保护器可以包括一个多点火花触发电涌保护装置或多个串联的多点火花触发电涌保护器；

旁路系统可以包括一个非线性电阻或多个串联的非线性电阻，或者是一个具有非线性电阻的限压型电涌保护器，或者是多个串联的具有非线性电阻的限压型电涌保护器；

图1-图3揭示了本发明的不同的实施例。

参考图1所示，图1揭示了根据本发明的第一实施例的电路原理图。

在第一实施例中，电涌保护器由一个多点火花触发电涌保护装置组成，旁路系统由一个具有非线性电阻的限压型电涌保护装置组成。

其中的多点火花触发电涌保护装置可以选用由CN101227088A所揭示的多点火花触发电涌保护装置，CN101227088A也是由本申请的申请人所提出。该多点火花触发电涌保护装置是开关型电涌保护装置，作为主泄放路径。

其中的限压型电涌保护装置可以选用由CN1592021A所揭示的限压型电涌保护装置，CN1592021A也是由本申请的申请人所提出。

参考图1所示，一个多点火触发电涌保护装置11(作为电涌保护器，主泄放路径)与一个限压型电涌保护装置16(作为旁路系统)并联。

对于作为主泄放路径的多点火花触发电涌保护装置11，采用三个串联的微触发间隙117、117′、119，其中前两个微触发间隙117、117′分别并联电容118、118′。第三个微触发间隙119并联压敏电阻120，再与热熔体/丝111一起并联在两个主电极121、122上。然后用短接铜排将串联了劣化指示开关的限压型电涌保护装置16的两个接线端，分别并联到多点火花触发电涌保护器的两个接线端。

劣化指示开关可以由一个热脱扣器116或两个热脱扣器(图中未示出)构成。

限压型电涌保护装置16可采用一个压敏电阻110构成或由两个压敏电阻(图中未示出)并联构成。

限压型电涌保护装置16采用两个压敏电阻110、110′并联使用时，分别有两个热脱扣器116、116′与之关联，限压型电涌保护器16具有两个压敏电阻110、110′和两个热脱扣器116、116′的情况可以参考图4a和图4b所示。

多点火花触发电涌保护装置11中的触发电路上的压敏电阻120与一温度保险丝111关联。

在两个主电极121和122之间有一个主放电间隙125，该主放电间隙125与触发间隙117、117′、119处于同一个空间中。

参考图2所示，图2揭示了根据本发明的第二实施例的电路原理图。其中电涌保护器由通过短接线或短接排串联的两个多点火花触发电涌保护装置组成，旁路系统由一个具有非线性电阻的限压型电涌保护装置组成。

参考图2所示，两个多点火触发电涌保护装置21采用短接线/排将端子223串联后再与限压型电涌保护装置26并联。

两个多点火触发电涌保护装置21中的每一个具有与第一实施例中的多点火触发电涌保护装置11同样的结构，限压型电涌保护装置26也具有与第一实施例中的限压型电涌保护装置16同样的结构。

在第二实施例中，附图标记216也表示热脱扣器、210也表示压敏电阻、221和222分别表示两个主电极、225表示主放电间隙。

两个多点火花触发电涌保护21中的触发电路23上的压敏电阻分别与温度保险丝211关联。

参考图3所示，图3揭示了根据本发明的第三实施例的电路原理图。电涌保护器包括两个独立串联的触发电路以及两个独立串联的主放电模块，该串联后的触发电路的两端分别与串联后的主放电模块的两端进行并联；旁路系统由一个具有非线性电阻的限压型电涌保护装置组成。

在图3中，两个触发电路33独立串联，两个主放电模块32也独立串联，然后再将串联后的触发电路33′两端分别与串联后的主放电模块32′两端进行并联，形成电涌保护器31。可以选用一个机械脱扣312对触发电路33`中的两个压敏电阻320、320′同时进行监控并能够做出劣化响应。在一个实施例中，该机械脱扣312也可以是温度保险丝311。旁路系统由一个具有非线性电阻的限压型电涌保护装置36组成。

在第三实施例中，附图标记310也表示压敏电阻、321和322分别表示两个主电极、325表示主放电间隙。

在图1～3所揭示的第一、第二和第三实施例中，除采用温度保险丝作为触发电路的劣化脱扣装置，当持续工作电压比较高时，可以采用如图3中的机械脱扣312。

图4a和图4b揭示了根据图1所示的第一实施例的实现结构图，即图4a和图4b是依据图1的电路原理在不同视角下所表现的具体实现的结构。

在图4a和图4b中，使用铜排48将多点火花触发电涌保护装置41的进线接线端子47和出线接线端子45分别与限压型电涌保护装置46的进线接线端子49和出线接线端子44短接。

本实施方案中的电涌保护器为开关型电涌保护器，由多点火花触发电涌保护装置实现，该多点火花触发电涌保护装置包括触发电路43和主放电模块42，限压型电涌保护装置46主要包括氧化锌压敏电阻410。

图5揭示了图4a和图4b所示的结构在同等脉冲电流冲击下的残压波形对比图。在图5中，曲线513代表了单个多点火花触发电涌保护器在某个雷电脉冲作用下的残压波形；曲线514)代表了旁路系统在相同雷电脉冲作用下的残压波形；曲线515代表了单个多点火花触发电涌保护器并联旁路系统后(按照图1所示的电路原理)在相同雷电脉冲作用下的残压波形。对于曲线515而言，由于并联旁路系统后的分流作用，触发电弧影响主间隙击穿放电的力度稍弱于没有并联旁路的单个多点火花触发电涌保护器，所以曲线515中主间隙的击穿放电t₂时刻的出现滞后于曲线513中主间隙的击穿放电t₁时刻。

总的说来，本发明技术方案能够具备更低的电压保护水平值和MOV级的响应特性、以及开关型电涌保护器的大通流能力的特点，并可通过多点火花触发电涌保护装置与后级限压型电涌保护器零距离配合使用达到该技术方案的要求。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims

1.一种电涌保护系统，其特征在于，包括：

旁路系统，与所述电涌保护器并联，所述旁路系统的导通电压等于或高于所述多点火花触发电涌保护装置中的触发电路的非线性电阻的导通电压。

2.如权利要求1所述的电涌保护系统，其特征在于，

所述电涌保护器的最大持续工作电压U_多、所述旁路系统的最大持续工作电压U_旁、所述电涌保护器中的非线性电阻的最大持续工作电压U_触发、以及所述电涌保护系统的最大持续工作电压U_系统满足下述的条件：

U_多＝U_旁＝U_触发≥U_系统。

3.如权利要求1所述的电涌保护系统，其特征在于，

所述旁路系统由一个非线性电阻组成，或者所述旁路系统由多个非线性电阻串联或并联组成。

4.如权利要求3所述的电涌保护系统，其特征在于，

所述旁路系统是具有非线性电阻的限压型电涌保护装置。

5.如权利要求4所述的电涌保护系统，其特征在于，

所述非线性电阻是氧化锌压敏电阻。

6.如权利要求1所述的电涌保护系统，其特征在于，

所述电涌保护器由一个多点火花触发电涌保护装置组成，所述旁路系统由一个具有非线性电阻的限压型电涌保护装置组成。

7.如权利要求1所述的电涌保护系统，其特征在于，

所述电涌保护器由通过短接线或短接排串联的两个多点火花触发电涌保护装置组成，所述旁路系统由一个具有非线性电阻的限压型电涌保护装置组成。

8.如权利要求1所述的电涌保护系统，其特征在于，

所述电涌保护器包括两个独立串联的触发电路以及两个独立串联的主放电模块，该串联后的触发电路的两端分别与串联后的主放电模块的两端进行并联；

所述旁路系统由一个具有非线性电阻的限压型电涌保护装置组成。

9.如权利要求8所述的电涌保护系统，其特征在于，

两个独立串联的触发电路中的两个压敏电阻通过一机械脱扣同时进行监控并作出劣化响应。

10.如权利要求9所述的电涌保护系统，其特征在于，

所述机械脱扣是温度保险丝。