CN104617571B - 一种电子电气设备过压过流保护器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子电气设备过压过流保护器，包括电源浪涌保护器SPDI、浪涌分压器和工频电流保护器，电源浪涌保护器SPDI的两端分别连接在电源配电屏接入端口之后被保护设备端口之前的火线和零线上，浪涌分压器由电抗器A、电源浪涌保护器SPDⅡ和电抗器B串联组成，浪涌分压器一端的电抗器A安装在电源浪涌保护器SPDI之后的火线上，另一端的电抗器B安装在电源浪涌保护器SPDI之后的零线上，工频电流保护器由PTC正温度系数热敏电阻、NTC负温度系数热敏电阻、TVS管组成。该设备具有浪涌过电压限压、浪涌残余电压分压保护功能和工频过电压、过电流保护功能，减少了设备的故障率，降低了设备老化的速度。

Description

一种电子电气设备过压过流保护器

技术领域

本发明涉及电源浪涌保护器技术领域，特别是涉及一种具有工频电流保护的电子电气设备过压过流保护器。

背景技术

电路在遭雷击和在接通、断开电感负载或大型负载时常常会产生很高的操作过电压，这种瞬时过电压（或过电流）称为浪涌电压（或浪涌电流），是一种瞬变干扰。浪涌电压现象日趋严重地危机自动化设备安全工作，消除浪涌噪声干扰、防止浪涌损害一直是关系到自动化设备安全可靠运行的核心问题。

浪涌保护器（surge protective device），简称SPD，也叫防雷器，是一种为各种电力设备、仪器仪表、通讯线路等提供安全防护的装置，用来限制瞬态过电压及泄放相应的瞬态过电流。浪涌保护器是一种非线性电阻，正常情况下呈高阻状态，当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在纳秒级的时间内导通并呈低阻状态，限制线路之间的电压并将电流泄放到大地，从而避免浪涌电压（电流）对回路中设备的损害，外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压消失后浪涌保护器迅速恢复为高阻状态。普通浪涌保护器的残压比较大，普通浪涌保护器的残压直接进入电子设备仍然对电子设备有一定的破坏作用。

通信和有线电视的用户端设备、平安城市视频监控网点、自动化控制设备和其它电子电气设备由于线路故障产生的工频过电压、过电流非常敏感，特别是安装在郊区、农村时，设备经常因供电系统用户受电端电压合格率较低而引起损坏和加速老化。这些设备功率通常只有数十瓦、百几十瓦（额定电流值小于1A），在发生故障时前端设备配电开关额定电流值选择偏大（因为配置与负载相匹配的空气开关会频繁跳闸，维护不方便，所以一般配置25A、16A空气开关）而不能及时断开，不仅使设备和网络系统的维护成本很高，也给人们的生产、生活带来了极大的不便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种防雷电浪涌效果好、具有工频过电压过电流保护功能、使用寿命长、安全方便的电子电气设备过压过流保护器，减少了设备的故障率，降低了设备老化的速度。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案是：一种电子电气设备过压过流保护器，包括电源浪涌保护器SPDI，电源浪涌保护器SPDI的两端分别连接在电源配电屏接入端口之后被保护设备端口之前的火线和零线上，还包括浪涌分压器和工频电流保护器，所述浪涌分压器由电抗器A、电源浪涌保护器SPDⅡ和电抗器B串联组成，浪涌分压器一端的电抗器A安装在电源浪涌保护器SPDI之后的火线上，另一端的电抗器B安装在电源浪涌保护器SPDI之后的零线上；工频电流保护器由PTC正温度系数热敏电阻、NTC负温度系数热敏电阻、TVS管组成，与电源浪涌保护器SPDⅡ并联连接并安装在电源浪涌保护器SPDⅡ与被保护设备之间。

优选地，所述PTC正温度系数热敏电阻和所述NTC负温度系数热敏电阻封装在一起，通过公共铜质引脚将热量从NTC负温度系数热敏电阻传递给PTC正温度系数热敏电阻，使PTC正温度系数热敏电阻阻值增大，阻止电流通过。

优选地，所述电源浪涌保护器SPDI为普通B级或C级电源浪涌保护器，对雷电浪涌电压、开关浪涌电压具有限压作用。

优选地，本发明还包括浪涌接地模块GDT，所述浪涌接地模块GDT连接在电源的零线与地网之间，使雷电浪涌电流、开关浪涌电流流入大地。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

1、普通浪涌保护器的残压比较大，普通浪涌保护器的残压直接进入电子设备仍然对电子设备有一定的破坏作用，过压过流保护器采用“残压分压”处理技术，在普通浪涌保护器的基础上增加浪涌分压器，通过浪涌分压器对电源浪涌保护器SPDI1限压后的残余雷电浪涌电压、开关浪涌电压分压，就只有一部分残压进入电子设备，使进入设备端口的电源线之间的浪涌电压进一步降低，从而达到很好的防雷效果，被保护设备内的各元器件不会因强烈的浪涌电流脉冲受到破坏、老化，延长电器设备的使用寿命。

2、该过压过流保护器对接地电阻要求不高，即使没有接地的条件下也能起到很好的防雷效果，从而免去安装传统浪涌保护器而必须接地的麻烦，因此大大节约成本。在不接地时，由于过压过流保护器只对差模浪涌电压动作，对电位差较大的共模电压不动作，延长浪涌保护器自身的使用寿命；有接地条件时，可配置浪涌接地模块GDT，能满足不同条件下的复杂防雷工程设计要求。

3、工频电流保护器，具有工频过电压、过电流保护功能，减少了设备的故障率，大大降低了设备老化的速度。

4、PTC正温度系数热敏电阻和NTC负温度系数热敏电阻封装在一起，通过公共铜质引脚传递热量，形成具有互动功能的PTC-NTC正负温度系数热敏电阻，缩短了PTC正温度系数热敏电阻的动作时间，提高了PTC正温度系数热敏电阻在过流保护方面的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种电子电气设备过压过流保护器连接示意图；

图2为无浪涌接地模块GDT的连接示意图；

图3为8/20μS波形模拟雷击浪涌电流发生器示意图；

图4为模拟220VAC工频故障电流发生器原理图；

图5为PTC-NTC正负温度系数热敏电阻侧面结构图；

图6为PTC-NTC正负温度系数热敏电阻正面结构图；

图中1、电源浪涌保护器SPD ；2、电抗器A；3、电抗器B；4、电源浪涌保护器SPDII；5、浪涌接地模块GDT；6、PTC正温度系数热敏电阻；7、NTC正温度系数热敏电阻；8、TVS管；9、高压试验变压器；10、储能电容；11、试验样品；12、整流硅堆；13、限流电阻；14、触发球隙；15、触发回路；16、残压取样；17、电流取样；18、电压表；19、欠压报警器；20、电流表；21、变阻器；22、模拟负载50W；23、开关；24、开关 ；25、开关；26、PTC陶瓷芯片；27、NTC陶瓷芯片；28、PTC引脚；29、公共引脚；30、NTC引脚。

具体实施方式

现有技术中，普通浪涌保护器利用普通B级或C级电源浪涌保护器SPDⅠ作为等电位均衡装置，其主要目的是当线路上存在雷电浪涌过电压时，该浪涌保护器立即动作，将LIN与NIN之间的浪涌过电压限制在一定的范围之内，即B级或C级浪涌保护器的保护水平Up（视同残压，因为保护水平是根据浪涌保护器的残压确定的，是残压的最大值）之内。LIN、NIN为电源从配电屏接入端口，LOUT、NOUT接被保护设备端口。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示一种电子电气设备过压过流保护器包括电源浪涌保护器SPDI1、浪涌分压器和工频电流保护器，电源浪涌保护器SPDI1的两端分别连接在电源配电屏接入端口之后被保护设备端口之前的火线和零线上，电源浪涌保护器SPDⅠ1为普通B级或C级电源浪涌保护器，对雷电浪涌电压、开关浪涌电压具有限压作用。浪涌分压器由电抗器A2、电源浪涌保护器SPDⅡ4和电抗器B3串联组成，浪涌分压器一端的电抗器A2安装在电源浪涌保护器SPDI1之后的火线上，另一端的电抗器B3安装在电源浪涌保护器SPDI1之后的零线上，电抗器A2、电源浪涌保护器SPDⅡ4和电抗器B3串联连接后组成的分压器，对电源浪涌保护器SPDI1限压后的残余雷电浪涌电压、开关浪涌电压具有分压作用，使进入设备端口的电源线之间的浪涌电压进一步降低。工频电流保护器由PTC正温度系数热敏电阻6、NTC负温度系数热敏电阻7、TVS管8组成，与电源浪涌保护器SPDⅡ4并联连接并安装在电源浪涌保护器SPDⅡ4与被保护设备之间。

浪涌分压器串联在供电线路上的分压元件——电抗器，电抗器reactor使用紫铜材质做成的一个无导磁材料的空心线圈，是依靠线圈的感抗阻碍电流变化的电器，串联于电力电路中，以限制浪涌电流的通过，并使其形成电压降。电抗器对高频电流产生的磁场非常敏感，并形成反向电动势，它具有通低频、阻高频的特点：通过的电流频率较低时，其阻抗可以忽略不计，能让50Hz的工频电流安全通过而不消耗供电系统的能量，即不引起市电电压和市电电流衰减；通过的电流频率较高时，其阻抗较大，能阻止大部分的雷电浪涌过电压或开关浪涌过电压通过，即能使雷电浪涌过电压或开关浪涌过电压的电压和电流得到衰减；制作电抗器的线径的等效截面积不小供电线路的截面积或满足负载的功率要求。

浪涌分压器，高频分压，由电抗器A2、电源浪涌保护器SPDⅡ4和电抗器B3组成，对电源浪涌保护器SPDI限压后的残余雷电浪涌电压、开关浪涌电压具有分压作用，降低电源线之间的浪涌电压。浪涌分压器对供电系统上频率较高的雷电浪涌过电压和开关浪涌过电压有较大的感抗而达到分压作用，对频率较低的供电系统的工频电流的感抗可以忽略不计，即对工频电流不产生影响。因此，当供电线路上有雷电浪涌过电压和开关浪涌过电压时，浪涌分压器能将电源浪涌保护器SPDⅠ1的残压Up分成三部分分别在电抗器A2、电源浪涌保护器SPDⅡ4和电抗器B3上形成电压降，使电源浪涌保护器SPDⅡ4两端的残压降到比电源浪涌保护器SPDⅠ1的残压Up低很多的程度。在没有浪涌分压器的情况下，电源浪涌保护器SPDⅠ1的残压Up就会直接进入被保护设备，经过浪涌分压器分压后就只有电源浪涌保护器SPDⅡ4两端的残压能进入被保护设备。

并联在供电线路上的电源浪涌保护器SPDII4、SPDⅡ4内所使用的分流元件主要有压敏电阻、放电间隙、TVS管，可根据被保护设备的特点和防雷工程设计要求进行选择。它具有阻低压、通高压的特点：通过的浪涌电流电压较低时，其阻抗非常大，能让50Hz的工频电流安全通过供电线路而不会发生线间短路导通，不消耗供电系统的能量，即不引起市电电压和市电电流衰减；通过的浪涌电流电压较高时，其阻抗非常小，能让雷电浪涌过电流或开关浪涌过电流通过，即能使雷电浪涌过电压或开关浪涌过电压的电压和电流得到衰减。浪涌分压器，连接在供电系统的火线与零线或火线与火线之间，以降低线间差模浪涌过电压，既可以用于单相电源系统，也可以用于三相电源系统。

工频过流阻断：在供电线路上串联高分子PTC正温度系数热敏电阻6来阻断大电流通过。PTC正温度系数热敏电阻6又经常被人们称为自恢复保险丝，具有独特的正温度系数电阻特性。PTC正温度系数热敏电阻6的使用方法像普通保险丝一样，是串联在电路中使用，如图1所示。当电路正常工作时，PTC正温度系数热敏电阻6温度与室温或环境温度相近、电阻很小，串联在电路中不会阻碍电流通过；而当电路因故障而出现过电流时，PTC正温度系数热敏电阻6由于发热功率增加导致温度上升，当温度超过开关温度时，电阻瞬间会剧增，可急剧增加几个至十几个数量级，把电路中的电流限制到很低的水平，回路中的电流迅速减小到安全值。此时电路中的电压几乎都加在PTC正温度系数热敏电阻6两端，因而可以起到保护其它元件的作用。当人为切断电路排除故障后，PTC正温度系数热敏电阻6的阻值一般在十几秒到几十秒中会迅速恢复到原来的水平，此时PTC正温度系数热敏电阻6的维持电流已经恢复到额定值，PTC正温度系数热敏电阻6无需更换而可以继续使用。

工频过压限制：NTC正温度系数热敏电阻7是负温度系数热敏电阻，与双向稳压瞬态二极管TVS管8串联连接后并联在供电线路上。正常情况下由于NTC正温度系数热敏电阻7阻值较大，通过的电流很小，因此不影响供电系统正常工作。在供电系统电压不稳定、供电系统故障引起供电线路出现高电压时，在供电线路上并联的NTC正温度系数热敏电阻7负温度系数热敏电阻由于发热功率增加导致温度上升，当温度超过开关温度时，电阻瞬间会变小，使NTC正温度系数热敏电阻7与TVS管8导通，其端电压降低。同时，使流过NTC正温度系数热敏电阻7的电流和流过设备的电流加在一起，流过PTC正温度系数热敏电阻6的电流就增大并超过其额定值，引起PTC正温度系数热敏电阻6动作来增大供电回路的电阻而阻碍电流通过。

如图5、图6所示，本实施例PTC正温度系数热敏电阻6和NTC正温度系数热敏电阻7封装在一起，统称PTC-NTC正负温度系数热敏电阻，通过铜质公共引脚29传递热量。PTC正温度系数热敏电阻6包括PTC陶瓷芯片26和PTC引脚28；NTC正温度系数热敏电阻7包括NTC陶瓷芯片27和NTC引脚30；PTC-NTC正负温度系数热敏电阻在电源系统出现过电压引起负温度系数NTC正温度系数热敏电阻7动作时将热能有效传递给正温度系数PTC正温度系数热敏电阻6而达到互动功能，缩短了正温度系数PTC正温度系数热敏电阻6的动作时间，PTC正温度系数热敏电阻6对电源系统工频过电压动作灵敏度得到很好的提高。

TVS管8是双向稳压瞬态二极管，其开关动作电压取接近供电系统标称电压值（直流时）或供电系统标称电压有效值（交流时）。TVS管8有两方面作用，一方面与NTC正温度系数热敏电阻7形成分压作用，防止NTC正温度系数热敏电阻7导通时供电系统电压全部加在NTC正温度系数热敏电阻7上产生大电流而使NTC正温度系数热敏电阻7击穿损坏引起供电系统线间短路。另一方面，TVS管8提供一个较高的基准电压，使供电系统只有一小部分电压加在NTC正温度系数热敏电阻7上并受其控制，从而降低NTC正温度系数热敏电阻7的零功率电阻值并提高NTC正温度系数热敏电阻7对供电系统过电压控制的精度。

如图2所示，在没有接地网的情况下使用时不需要配置浪涌接地模块GDT5，即浪涌保护器不需要接地。浪涌接地模块GDT5连接在电源的零线与地网之间。GDT是放电管，是雷电浪涌过电压和开关浪涌过电压产生的浪涌电流泄放到大地的通道。在供电线路上出现雷电浪涌或开关浪涌时能在nS级达到近似短路状态，使供电系统与大地形成等电位。有接地条件时可配置GDT接地模块，能满足不同条件下的复杂防雷工程设计要求；没有接地的备件时不需要配置GDT接地模块也能起到很好的防雷效果。

上面是以单相电源系统进行的描述，通过多个组合在一起，或通过对相关元器件参数改变，本专利也可用来对三相电源系统、信号线路进行保护。

本发明实施例提供的一种电子电气设备过压过流保护器，在供电线路有雷电浪涌过电压或开关浪涌过电压时，对不能在配电系统安装多级防雷进行过电压保护的情况下，一方面对配电系统具有多级防雷作用，能有效地降低电源线路上的残压，使进入被保护设备的残压水平达到设备允许承受的浪涌电压水平；另一方面，通过对浪涌残压分压，使残压不能全部进入被保护设备，对供电线路之间的差模过电压有很好的限压作用，其残压比普通浪涌保护器要低很多，因此对接地电阻要求不高，在接地电阻很大或无法接地的情况下达到很好的防雷效果。在供电系统电压不稳定、供电系统故障、设备短路等情况出现时供电线路上会产生大电流或高电压，从而损坏设备。工频电流保护器，一方面在供电线路上串联正温度系数热敏电阻来阻断大电流通过，另一方面在供电线路上并联负温度系数热敏电阻和TVS管来限制供电线路上的工频过电压，同时增大流过串联在供电线路上的正温度系数热敏电阻电流并使其进行阻断。

下面，通过具体实验数据对本发明专利进行说明。

本实验8/20μS波形模拟雷击浪涌电流发生器原理如图3所示，8/20μS波形模拟雷击浪涌电流发生器可以产生瞬间的冲击电流波,用作试验样品在雷击过电压、操作过电压等短时高电压大电流作用下的特性试验。它由一组高压大容量的储能电容10，先通过直流高压并联充电，充电时间为几十秒到几分钟，然后通过触发球隙14的击穿，并联地对试验样品11放电，从而在试验样品11上流过冲击大电流。充电回路由高压试验变压器9、整流硅堆12、限流电阻13构成，放电回路由储能电容10、触发球隙14、试验样品11构成。整流硅堆12是将交流电通过相当于多个整流二极管的硅堆变成直流电的整流装置，触发回路如15所示。

表一为2号试验样品(电抗器A2和电抗器B3的感抗值均为20μH)残压试验，第一级SPD为电源浪涌保护器SPDI,第二级SPD为电源浪涌保护器SPDII，以下各表格意思雷同。表中数据表明雷电流越大保护器的分压效果越大。表二为3号试验样品(电抗器A2和电抗器B3的感抗值均为10μH)残压试验，表三为1号试验样品(电抗器A2和电抗器B3的感抗值均为30μH)残压试验，表一至表三显示电抗器的感抗大小对分压有一定的作用，感抗越大分压效果越好，但区别不是太大，特别是感抗为20μH与30μH分压效果几乎接近一致。表四为2号试验样品（20μH）分流试验，体现的是本专利产品的分流能力，数据显示保护器的分流能力非常好，绝大部分雷电流都从第一级SPD通过，只有百分之几的雷电流流向设备端，且雷电流越大分流效果越显著，当雷电流大于20kA时分流效果趋于稳定，只有小于2%的雷电流能流向后端。

表一：2号试验样品(20μH)残压试验

表二：3号试验样品(10μH)残压试验

表三：1号试验样品(30μH)：残压试验

表四：2号试验样品（20μH）分流试验

本实验模拟220VAC工频故障电流发生器原理如图4所示，高压试验变压器9为0V-450V调压器用于产生故障电压，电压通过电压表18测量，变阻器21可调电阻R，用于产生故障电流，电流通过电流表20来测量。开关I23、开关II24、开关III 25根据不同的试验需要合上或断开，欠压报警器19通过指示灯显示电压状态，从电压取样16和电流取样17测得试验数据，模拟负载功率为50W（220VAC时）22并联在电路上。过压试验：合上开关II24，断开开关I23，将调压试验变压器9产生的过电压加到试验回路上，NTC正温度系数热敏电阻7和PTC正温度系数热敏电阻6先后动作，欠压报警器19因为电压不够，指示灯熄灭。再合上开关I23，断开开关II24，欠压报警器19因为电压恢复，指示灯亮。过流试验：合上开关I23，断开开关II24，通过开关III 25将不同大小的短路电流加到试验回路上，PTC正温度系数热敏电阻6动作，欠压报警器19因为电压不够，指示灯熄灭。断开开关III 25，欠压报警器19因为电压恢复，指示灯亮。

表五为电流故障动作测试（PTC-NTC为整体包封结构，环境温度24℃），表六为电压故障动作测试（PTC、NTC为单独包封结构，环境温度24℃），表七为电压故障动作测试（PTC-NTC为整体包封结构，环境温度24℃），表五表明：当出现短路电流故障时两种结构都能有效动作，且动作速度没有区别。表六表七表明：两种结构都能有效动作，PTC-NTC为整体包封结构的试品动作速度要快于PTC、NTC为单独包封结构试品。施加240VAC时，PTC-NTC为整体包封结构的试品动作，PTC、NTC为单独包封结构的试品不动作，说明PTC-NTC为整体包封结构时对过电流的动作灵敏度有所提高。

表五：电流故障动作测试（PTC-NTC为整体包封结构，环境温度24℃）

表六：电压故障动作测试（PTC、NTC为单独包封结构，环境温度24℃）

表七：电压故障动作测试（PTC-NTC为整体包封结构，环境温度24℃）

本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电子电气设备过压过流保护器，包括电源浪涌保护器SPD I，电源浪涌保护器SPD I的两端分别连接在电源配电屏接入端口之后被保护设备端口之前的火线和零线上，其特征在于：还包括浪涌分压器和工频电流保护器，所述浪涌分压器由电抗器A、电源浪涌保护器SPDⅡ和电抗器B串联组成，浪涌分压器一端的电抗器A安装在电源浪涌保护器SPDI之后的火线上，另一端的电抗器B安装在电源浪涌保护器SPD I之后的零线上；工频电流保护器由PTC正温度系数热敏电阻、NTC负温度系数热敏电阻、TVS管组成，与电源浪涌保护器SPDⅡ并联连接并安装在电源浪涌保护器SPDⅡ与被保护设备之间。

2.根据权利要求1所述的一种电子电气设备过压过流保护器，其特征在于：所述PTC正温度系数热敏电阻和所述NTC负温度系数热敏电阻封装在一起，通过公共铜质引脚将热量从NTC负温度系数热敏电阻传递给PTC正温度系数热敏电阻，使PTC正温度系数热敏电阻阻值增大，阻止电流通过。

3.根据权利要求1所述的一种电子电气设备过压过流保护器，其特征在于：所述电源浪涌保护器SPD 为普通B级或C级电源浪涌保护器，对雷电浪涌电压、开关浪涌电压具有限压作用。

4.根据权利要求1所述的一种电子电气设备过压过流保护器，其特征在于：还包括浪涌接地模块GDT，所述浪涌接地模块GDT连接在电源的零线与地网之间，使雷电浪涌电流、开关浪涌电流流入大地。