CN102005754A - 一种双层金属间隙型电涌保护方法及电涌保护器 - Google Patents
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Abstract
一种双层金属间隙型电涌保护方法及电涌保护器，所述的通过一个双层金属间隙型电涌保护结构，且两个间隙每个大于2mm；同时采用双点火电路点火，在防雷器的三个放电电极之间的两个间隙内依次产生一个电火花，相当于提供一个两个电火花的导电通道，使得防雷器在上升电压比较低的情况下开始放电，利用火花导电的特性，使得雷电流从金属电极处泄放，且放电组件将大量的电涌能量通过主放电电极泄放，形成低触发电压；当雷电浪涌过去以后，由于两个间隙每个大于2mm的拉弧距离的作用，加上内置消弧装置的配合，能将被保护线路电源电压造成的续流迅速断开，形成高额定断开续流。
Description
技术领域
本发明涉及一种电气部件的保护方法及结构，尤其是指一种双层金属间隙型电涌保护方法及电涌保护方法及电涌保护器。可安装于LPZ0Ａ与LPZ1区界面，是一种间隙型、高断续流能力、带点火功能的电涌保护方法及电涌保护器。
背景技术
目前，对于电源线路的雷电防护主要采用的防雷器有限压型与开关型。其中，限压型防雷器的主要器件是压敏电阻，开关型防雷器主要是气体放电管和放电间隙。
随着压敏电阻技术的成熟，限压型防雷器的质量好坏基本取决于压敏电阻厂家生产工艺的控制，对于防雷厂家而言只要设置好脱扣装置，设计出合理的产品外形、连接结构，可提升产品技术含量的空间不大。同时，限压型器件只能应用于感应雷的防护（8/20μs波形电流）,不能用于直击雷的防护（10/350μs波形电流）。
开关型器件中的气体放电管目前主要有两种，一种是配合限压型器件组成3+1或1+1结构的单层放电管，由于其极弱的断续流能力，只能应用于N与PE之间。另一种是近年一些气体放电管厂家推出的多层间隙气体放电管，利用多个串联的放电管构成一个多层间隙的主间隙放电结构，该主间隙的弧光放电电压大于被保护电源线路的工作电压的峰值，有效避免了续流。但这种产品由于采用封闭式灌封气体结构，一般通流量比较小，而且限制电压相对还是比较高，无法与后级的压敏电阻模块直接配合使用。
目前大家研究得比较多的是空气间隙型防雷器，对于使用在LPZ0区域的开关型防雷器而言，在保证具有较大通流容量的同时，还需控制以下两个关键点：
1、断续流能力，即在雷电脉冲后的工频电弧需要及时熄灭以免影响主电路的正常工作；
2、电压保护水平，这里的电压保护电压应在放电电压或残压中取最大值，能够在承受一次最大通流容量时没有损坏。
在现有的间隙型雷电泄放装置中。一方面，为了获得低的放电电压和保持稳定的放电工作，必须尽量的减小起弧间隙，另一方面，要得到良好的额定断开续流需要拉长电弧，采取增大电极距离是最佳方式之一。两者存在矛盾。为此，如何得到既满足低电压放电又能保证额定断开续流能力是大家研究的重点。
在已公知的间隙型电涌保护器中，大家对电涌保护器的雷电脉冲响应能力比较注重，为此开发出了各种脉冲辅助触发的公知技术方法；其中比较典型的是电容网络技术和变压器电子点火触发技术。这些技术的应用，对于空气间隙型浪涌保护器来讲是一次大的技术飞跃。但仍然存在一些问题：如使用电容网络触发技术，由于采用多层间隙，能将电弧拉长，而且把电弧分成多段，有利于续流的断开，因此额定断开续流能力比较强，但其电压保护水平仍高于一般的限压型电涌保护器，而且触发电路复杂，单个间隙距离小难以控制，容易被异物或粉末短路，产品尺寸较大，一般都做成36mm宽的模块；变压器电子点火触发技术是使用了脉冲变压器作为点火关键器件，由于点火装置的作用，间隙距离可拉长到2mm，有效的拉长了电弧，增强了额定断开续流能力，但是相对还是没有多层间隙的额定断开续流能力强。因此很有必要对此加以进一步改进。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有间隙型电涌保护器电压保护水平仍高于一般的限压型电涌保护器，而且触发电路复杂，单个间隙距离小难以控制，容易被异物或粉末短路，产品尺寸较大的不足，将多层间隙的截断电弧技术与电子点火技术相结合，各取其优点，提出一种低电压脉冲触发，高额定断开续流能力的电涌保护方法及装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双层金属间隙型电涌保护方法，通过一个双层金属间隙型电涌保护结构，且两个间隙每个大于2mm；同时采用双点火电路点火，在防雷器的三个放电电极之间的两个间隙内依次产生一个电火花，相当于提供一个两个电火花的导电通道，使得防雷器在上升电压比较低的情况下开始放电，利用火花导电的特性，使得雷电流从金属电极处泄放，且放电组件将大量的电涌能量通过主放电电极泄放，形成低触发电压。当雷电浪涌过去以后，由于两个间隙每个大于2mm的拉弧距离的作用，加上内置消弧装置的配合，能将被保护线路电源电压造成的续流迅速断开，形成高额定断开续流。
所述的双点火电路点火是利用是脉冲变压器将一个较低的脉冲电压升压为两个高压，在点火电极与主放电电极之间产生电火花。
所述的电火花产生过程是：通过一个具有两极的模块，当模块两极间电压瞬间上升到一定电压时，气体放电管导通放电，并通过电阻电容电路的作用，在变压线圈的原线圈上产生一个电压振荡。经过两个变压线圈双层金属间隙上的两个触点之间同时升压，在双层金属间隙上的两个点火电极之间同时产生高电压，该高电压将双层金属间隙之间的空气间隙击穿，产生点火花，从而形成导电通道，将雷电流依次从泄电流触点间泄放。
所述的高额定断开续流是：当浪涌电流从放电电极间泄放以后，电弧仍在工频电压的维持下保持短路状态，也就是说工频电路中的续流。由于放电电极间的总间隙距离达到4mm以上，电弧被拉长、且被三个电极分成两段，一定电流峰值大小以下的续流就能迅速断开。如果拉长电弧和截断电弧还无法使续流断开，那么该电弧在电极顶端的尼龙或聚合物材料产生的冷气吹动下，电弧将吹得往下拉，在一定电流峰值大小以下的续流就能被吹断。如果，还续流大到还无法断开，电弧被气吹得拉长到碰到底端的消弧板上的尖端时，电弧将被碰断。电弧产生的热气将从导气通道中释放出去。以上即可完成续流断开。
根据上述双层金属间隙型电涌保护方法所提出的双层金属间隙型电涌保护装置是：一种双层金属间隙型电涌保护器，属于靠点火触发的电涌保护器。包括变压器双点火电路、主放电电极、内置灭弧装置。
所述变压器点火电路包括脉冲双点火变压器、点火电极、电压开关元件、高频开关元件、非线性电阻等。双点火电路的作用是当被保护线路有雷电浪涌产生时，在防雷器的三个放电电极之间的两个间隙内依次产生一个电火花，相当于提供一个两个电火花的导电通道。放电组件将大量的电涌能量通过主放电电极泄放。当雷电浪涌过去以后，由于两个间隙每个大于2mm的拉弧距离的作用，加上内置消弧装置的配合，能将被保护线路电源电压造成的续流迅速断开。
所述点火电路中的脉冲变压器采用坡莫合金材料的环形磁芯，外径为15mm，内径为8mm，厚度为12mm。变压器绕制为1个原边两个副边的形式，绕制匝数比为1:10:10。
所述点火电极采用针状的黄铜材料，针主体直径为0.8mm，前端穿过尼龙或聚合物的绝缘材料，针头大致伸出1mm左右在两主放电电极之间，后端焊接在PCB板上。
所述电压开关元件采用低脉冲电压的气体放电管，直流放电电压值根据产品使用环境可选择350V-600V不等。脉冲电压尽量小于1000V。当有雷电浪涌产生时，气体放电管最先动作，然后才有其他后续的动作和功能。
所述高频开关元件是为了对浪涌的识别，只有高频的雷电浪涌产生时，电涌保护器才会有动作，避免正常供电状态下的一些误动作，影响被保护线路的正常工作。
所述非线性电阻是为了限制点火电路的电流，避免电流过大将点火电路烧坏。
所述主放电电极包括三个电极：左电极、右电极以及中间电极，电极材料采用高耐烧灼的铜钨合金材料，3个主放电电极构成两个倒三角形状的空气间隙，每个间隙距离达到2mm以上，间隙的顶端中间位置为点火电极的针头。两边的电极间隙背面采用锯齿状结构，电极通过铜螺母与接线柱、线路板连接。
所述灭弧装置包括电极间隙顶端的绝缘材料、倒三角间隙下端的灭弧尖端、以及热气散发的出口等。绝缘材料采用能产气的尼龙或聚合物，当电弧产生时，产生气体将电弧往间隙下端吹，将电弧吹断，或将电弧吹到碰到灭弧尖端时，电弧断开。热气散发的出口有利于吹弧气体的流动。
本发明的优点在于：将多层间隙的截断电弧技术与电子点火技术相结合，各取其优点，将降低放电电压值的同时将大通流能力与较高的额定断开续流能力相结合起来成为可能。可以有效克服现有间隙型电涌保护器电压保护水平仍高于一般的限压型电涌保护器，而且触发电路复杂，单个间隙距离小难以控制，容易被异物或粉末短路，产品尺寸较大的不足。
附图说明
图1是本发明的点火电路结构图；
图2是本发明的点火变压器结构图；
图3是本发明的点火变压器接线图；
图4是本发明的点火电路原理图；
图5是本发明的整体内部结构图；
图6是本发明的点火过程中消弧示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
通过附图1-3，可以看出本发明涉及一种双层金属间隙型电涌保护方法，通过一个双层金属间隙型电涌保护结构，且两个间隙每个大于2mm；同时采用双点火电路点火，在防雷器的三个放电电极之间的两个间隙内依次产生一个电火花，相当于提供一个两个电火花的导电通道，使得防雷器在上升电压比较低的情况下开始放电，利用火花导电的特性，使得雷电流从金属电极处泄放，且放电组件将大量的电涌能量通过主放电电极泄放，形成低触发电压。当雷电浪涌过去以后，由于两个间隙每个大于2mm的拉弧距离的作用，加上内置消弧装置的配合，能将被保护线路电源电压造成的续流迅速断开，形成高额定断开续流。
所述的双点火电路点火是利用是脉冲变压器将一个较低的脉冲电压升压为两个高压，在点火电极与主放电电极之间产生电火花。
所述的电火花产生过程是：通过一个具有两极的模块，当模块两极间电压瞬间上升到一定电压时，气体放电管导通放电，并通过电阻电容电路的作用，在变压线圈的原线圈上产生一个电压振荡。经过两个变压线圈双层金属间隙上的两个触点之间同时升压，在双层金属间隙上的两个点火电极之间同时产生高电压，该高电压将双层金属间隙之间的空气间隙击穿，产生点火花，从而形成导电通道，将雷电流依次从泄电流触点间泄放。
所述的高额定断开续流是：当浪涌电流从放电电极间泄放以后，电弧仍在工频电压的维持下保持短路状态，也就是说工频电路中的续流。由于放电电极间的总间隙距离达到4mm以上，电弧被拉长、且被三个电极分成两段，一定电流峰值大小以下的续流就能迅速断开。如果拉长电弧和截断电弧还无法使续流断开，那么该电弧在电极顶端的尼龙或聚合物材料产生的冷气吹动下，电弧将吹得往下拉，在一定电流峰值大小以下的续流就能被吹断。如果，还续流大到还无法断开，电弧被气吹得拉长到碰到底端的消弧板上的尖端时，电弧将被碰断。电弧产生的热气将从导气通道中释放出去。以上即可完成续流断开。
根据上述双层金属间隙型电涌保护方法所提出的双层金属间隙型电涌保护装置是：一种双层金属间隙型电涌保护器，属于一种带双电子点火的双层金属宽间隙型电涌保护器。包括变压器双点火电路、主放电电极、内置灭弧装置。该装置在具备低放电电压值的同时将大通流能力与较高的额定断开续流能力相结合。
所述变压器点火电路包括脉冲双点火变压器、点火电极、电压开关元件、高频开关元件、非线性电阻等。双点火电路的作用是当被保护线路有雷电浪涌产生时，在防雷器的三个放电电极之间的两个间隙内依次产生一个电火花，相当于提供一个两个电火花的导电通道。放电组件将大量的电涌能量通过主放电电极泄放。当雷电浪涌过去以后，由于两个间隙每个大于2mm的拉弧距离的作用，加上内置消弧装置的配合，能将被保护线路电源电压造成的续流迅速断开。
所述点火电路中的脉冲变压器采用坡莫合金材料的环形磁芯，外径为15mm，内径为8mm，厚度为12mm。变压器绕制为1个原边两个副边的形式，绕制匝数比为1:10:10。
所述点火电极采用针状的黄铜材料，针主体直径为0.8mm，前端穿过尼龙或聚合物的绝缘材料，针头大致伸出1mm左右在两主放电电极之间，后端焊接在PCB板上。
所述电压开关元件采用低脉冲电压的气体放电管，直流放电电压值根据产品使用环境可选择350V-600V不等。脉冲电压尽量小于1000V。当有雷电浪涌产生时，气体放电管最先动作，然后才有其他后续的动作和功能。
所述高频开关元件是为了对浪涌的识别，只有高频的雷电浪涌产生时，电涌保护器才会有动作，避免正常供电状态下的一些误动作，影响被保护线路的正常工作。
所述非线性电阻是为了限制点火电路的电流，避免电流过大将点火电路烧坏。
所述主放电电极包括三个电极：左电极、右电极以及中间电极，电极材料采用高耐烧灼的铜钨合金材料，3个主放电电极构成两个倒三角形状的空气间隙，每个间隙距离达到2mm以上，间隙的顶端中间位置为点火电极的针头。两边的电极间隙背面采用锯齿状结构，电极通过铜螺母与接线柱、线路板连接。
所述灭弧装置包括电极间隙顶端的绝缘材料、倒三角间隙下端的灭弧尖端、以及热气散发的出口等。绝缘材料采用能产气的尼龙或聚合物，当电弧产生时，产生气体将电弧往间隙下端吹，将电弧吹断，或将电弧吹到碰到灭弧尖端时，电弧断开。热气散发的出口有利于吹弧气体的流动。
所述的双层金属间隙型电涌保护器结构如附图5所示，依照图中标识：1为RC振荡电路中的电阻；2为RC振荡电路中的电容；3为高频开关；4与15为非线性压敏电阻；5与17为点火电极；6为连接点火电极、主电极、点火电路的PCB板；7放电电极顶端的绝缘材料；8为主放电电极与接线柱的连接螺丝；9与18为接线柱；10为左放电电极；11为中间放电电极；12为热气流导气通道；13为气体放电管GDT；14为点火变压器；16为点火电路PCB板；19为右放电电极；20为消弧板。
本发明的技术特点在于以下几点：
1、为了使该装置实现上述功能，首先要解决的是两个2mm以上宽的金属间隙需要实现同时点火（如图1），利用火花导电的特性，使得雷电流从金属电极处泄放。而实现点火功能的主要器件是脉冲变压器，该变压器需要将一个较低的脉冲电压升压为两个高压，在点火电极与主放电电极之间产生电火花。因此对变压器要求比较高。本发明内变压器磁芯采用高磁导通率的坡莫合金材料，绕线采用耐高压的漆包线，原边与次边的匝数比为1:10:10。如图2和图3所示，1、2之间线圈匝数为5，2、3之间4、5之间线圈匝数均为50。
2、点火电路中的高频开关（电容）（图4 中c2）是对浪涌的频率进行识别，只有频率大于1KHZ以上的雷电浪涌才能通过，一些电源电路上低频的谐波等将无法造成电涌保护器误动作。点火电路中的气体放电管（图4 中GDT）也是一个关键元件，它的脉冲放电电压决定了整个电涌保护器的放电电压值，当线路浪涌电压峰值高于气体放电管的脉冲放电电压值时，气体放电管启动，然后后续的所有动作开始。鉴于气体放电管的重要作用，选择气体放电管时应选择国际知名品牌，以保证气体放电管能正常有效的工作。非线性电阻（图4中MOV）采用压敏电压在270V-500V的压敏电阻，利用其非线性的特点，可以限制间隙导通后回路中电流的大小。避免变压器被击穿电流烧坏。
3、整个点火电路的作用是当被保护线路有浪涌产生时，在防雷器三个放电电极的两个间隙之间同时产生电火花，相当于提供一个导电通道（图1）。使得防雷器在上升电压比较低的情况下开始放电。电火花产生过程：当模块两极（如图4L与PE）间电压瞬间上升到一定电压时，气体放电管GDT导通放电，通过RC电路的作用，在变压线圈的原线圈上产生一个电压振荡。经过变压线圈P1和P2之间、P3和P4之间同时升压，在点火电极P2与左电极P1之间、点火电极P4与中间电极P3之间同时产生高电压，该高电压将P1与P2之间、P3与P4之间的空气间隙击穿，产生点火花，从而形成导电通道，将雷电流依次从P1、P3、P5间泄放。（如图4所示）。
4、主放电组件中，左电极（图5中10）、中间电极（图5中11）与右电极（图5中19）构成的两个倒三角的空气间隙，该空气间隙的最小距离大于2mm，点火电极（图5中5与17）位于间隙顶端的中间，从绝缘材料（尼龙或聚合物）（图5中7）中穿过，其尖端在间隙端伸出约1mm，因此点火电极与主放电电极间间隙距离约为1mm，当点火电路动作时实际上是点火电极与主放电电极之间的1mm空气间隙击穿产生火花。点火电极的另一端与PCB板（图5中6）焊接。左右中放电电极与接线柱（图6中9和18）以及PCB板采用螺母连接，中间电极与PCB板也采用螺母连接。PCB板与上端焊接变压器的PCB板（图5中16）采用插入式焊接。消弧尖端板也采用主放电电极的材料：铜钨合金，固定于模块的底端，空气间隙的下端。
本发明中，整个内部结构设计除了保证当线路产生浪涌时，点火电路能立即启动产生电火花，使浪涌电流从电涌保护器泄放外。还需要保证在浪涌电流泄放完以后，在工频电压维持下的续流能够迅速断开，也就是我们常说的消弧。
本发明中，分别应用了拉长电弧技术、截断电弧技术、气吹技术、尖端消弧技术、气体导向技术等来实现续流断开。当浪涌电流从放电电极间泄放以后，电弧仍在工频电压的维持下保持短路状态，也就是说工频电路中的续流。由于放电电极间的总间隙距离达到4mm以上，电弧被拉长、且被三个电极分成两段，一定电流峰值大小以下的续流就能迅速断开。如果拉长电弧和截断电弧还无法使续流断开，那么该电弧在电极顶端的尼龙或聚合物材料产生的冷气吹动下，电弧将吹得往下拉，在一定电流峰值大小以下的续流就能被吹断。如果，还续流大到还无法断开，电弧被气吹得拉长到碰到底端的消弧板上的尖端（图5中20）时，电弧将被碰断（如图6所示）。电弧产生的热气将从导气通道（图5中12）中释放出去。以上即可完成续流断开。
本发明的技术方案将多层间隙的截断电弧技术与电子点火技术相结合，各取其优点，提出一种低电压脉冲触发，高额定断开续流能力的电涌保护装置。
以上实施例是提供给熟悉本领域的人员来实现和使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的研究思想的情况下，对上述实例做出种种修改和变化，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 (10)
1.一种双层金属间隙型电涌保护方法，其特征在于：所述的通过一个双层金属间隙型电涌保护结构，且两个间隙每个大于2mm；同时采用双点火电路点火，在防雷器的三个放电电极之间的两个间隙内依次产生一个电火花，相当于提供一个两个电火花的导电通道，使得防雷器在上升电压比较低的情况下开始放电，利用火花导电的特性，使得雷电流从金属电极处泄放，且放电组件将大量的电涌能量通过主放电电极泄放，形成低触发电压；当雷电浪涌过去以后，由于两个间隙每个大于2mm的拉弧距离的作用，加上内置消弧装置的配合，能将被保护线路电源电压造成的续流迅速断开，形成高额定断开续流。
2. 如权利要求1所述的双层金属间隙型电涌保护方法，其特征在于：所述的双点火电路点火是利用是脉冲变压器将一个较低的脉冲电压升压为两个高压，在点火电极与主放电电极之间产生电火花。
3.如权利要求2所述的双层金属间隙型电涌保护方法，其特征在于：所述的电火花产生过程是：通过一个具有两极的模块，当模块两极间电压瞬间上升到一定电压时，气体放电管导通放电，并通过电阻电容电路的作用，在变压线圈的原线圈上产生一个电压振荡；经过两个变压线圈双层金属间隙上的两个触点之间同时升压，在双层金属间隙上的两个点火电极之间同时产生高电压，该高电压将双层金属间隙之间的空气间隙击穿，产生点火花，从而形成导电通道，将雷电流依次从泄电流触点间泄放。
4.如权利要求3所述的双层金属间隙型电涌保护方法，其特征在于：所述的高额定断开续流是：当浪涌电流从放电电极间泄放以后，电弧仍在工频电压的维持下保持短路状态，也就是说工频电路中的续流；由于放电电极间的总间隙距离达到4mm以上，电弧被拉长、且被三个电极分成两段，一定电流峰值大小以下的续流就能迅速断开；如果拉长电弧和截断电弧还无法使续流断开，那么该电弧在电极顶端的尼龙或聚合物材料产生的冷气吹动下，电弧将吹得往下拉，在一定电流峰值大小以下的续流就能被吹断；如果，还续流大到还无法断开，电弧被气吹得拉长到碰到底端的消弧板上的尖端时，电弧将被碰断。
5.一种双层金属间隙型电涌保护器，其特征在于：属于一种带双电子点火的双层金属宽间隙型电涌保护器；包括变压器双点火电路、主放电电极、内置灭弧装置；所述变压器点火电路包括脉冲双点火变压器、点火电极、电压开关元件、高频开关元件、非线性电阻；在防雷器的三个放电电极之间的两个间隙内依次产生一个电火花，相当于提供一个两个电火花的导电通道；放电组件将大量的电涌能量通过主放电电极泄放；当雷电浪涌过去以后，由于两个间隙每个大于2mm的拉弧距离的作用，加上内置消弧装置的配合，能将被保护线路电源电压造成的续流迅速断开。
6.如权利要求5所述的双层金属间隙型电涌保护器，其特征在于：所述点火电路中的脉冲变压器采用坡莫合金材料的环形磁芯，外径为15mm，内径为8mm，厚度为12mm；变压器绕制为1个原边两个副边的形式，绕制匝数比为1:10:10。
7.如权利要求6所述的双层金属间隙型电涌保护器，其特征在于：所述点火电极采用针状的黄铜材料，针主体直径为0.8mm，前端穿过尼龙或聚合物的绝缘材料，针头大致伸出1mm左右在两主放电电极之间，后端焊接在PCB板上。
8.如权利要求5所述的双层金属间隙型电涌保护器，其特征在于：所述电压开关元件采用低脉冲电压的气体放电管，直流放电电压值为350V-600V；脉冲电压小于1000V。
9.如权利要求5所述的双层金属间隙型电涌保护器，其特征在于：所述主放电电极包括三个电极：左电极、右电极以及中间电极，电极材料采用高耐烧灼的铜钨合金材料，3个主放电电极构成两个倒三角形状的空气间隙，每个间隙距离达到2mm以上，间隙的顶端中间位置为点火电极的针头。
10.如权利要求5所述的双层金属间隙型电涌保护器，其特征在于：所述灭弧装置包括电极间隙顶端的绝缘材料、倒三角间隙下端的灭弧尖端、以及热气散发的出口；两边的电极间隙背面采用锯齿状结构，电极通过铜螺母与接线柱、线路板连接。
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