CN105703347A - 链式放电防雷电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种链式放电防雷电路，其特征在于，包括：第一电力系统连接端，与电力系统的L线或N线连接；第二电力系统连接端，与电力系统的N线或PE连接；N个间隙，该N个间隙串联设置，串联的间隙具有位于首端的首端电极，位于末端的末端电极，每两个相邻的间隙形成一个节点，N个串联的间隙形成N-1个节点，位于首端的首端电极与该第一电力系统连接端连接，位于末端的末端电极与该第二电力系统连接端连接；K个压敏电阻；M个电容；其中，K个压敏电阻的第一连接端和M个电容的第一连接端与节点一一连接，K个压敏电阻的第二连接端和M个电容的第二连接端与该第二电力系统连接端连接，M+K＝N-1，N为自然数，且N≥3，M≥1以及K≥1。

Description

链式放电防雷电路

技术领域

本发明属于过电压保护技术领域，尤其涉及一种链式放电防雷电路。

背景技术

由于各种原因，电力系统往往存在过电压，这些过电压包括雷击感应过电压，接通容性负载和关断感性负载引起的操作过电压，其它电网波动等引起的过电压。这些过电压都能对用电设备造成伤害。链式放电防雷电路主要用于电源系统的一级防雷和二级防雷，比如各种场合的配电柜、通讯基站、变电站等。用于泄放雷电流，雷击引起的感应过电压、各类暂时过电压、操作过电压等，从而使被保护用电设备免受雷电或其它过电压损坏。

目前，主要的防雷技术有以下几种：

1、压敏电阻通过环氧树脂等绝缘材料包封或灌封，防止受潮，再设计合适的电极组合成防雷器。用于各种场合的防雷。获得了比较好的应用效果，但是压敏电阻耐受较大能量的能量冲击时，往往造成热击穿或电击穿。根据IEC61643-11:2011低电压浪涌保护装置第一部分:连接到低压配电系统的浪涌保护装置要求和测试，压敏电阻对抗Ⅰ类电流(典型波形为10/350μs)冲击的能力较差，很难做到10kA以上。

2、带点火装置的单间隙防雷器，间隙防雷器用于电源系统时，需要解决工频续流问题，即当防雷器泄放雷电流过后，要求安全的关断工频电流，也就是常说的熄弧。密闭单间隙放电过程中，利用电弧产生的瞬间高温使内置的产气材料受热释放出特殊气体，当防雷装置腔体内的特殊气体的气压升高到电弧压降等于或大于源电压时，电弧即熄灭。其存在的缺陷：其一，点火电压较高，残压一般在3000V以上，对设备的保护效果不好；其二，为使瞬间在腔体内产生高压特殊气体，因此对产气材料的要求比较高，对腔体机械强度和加工工艺要求也比较高；其三，成本高昂，国外防雷厂商售价高达几千元人民币。

3、通过电容与间隙分压放电的多间隙串联式防雷器：通过多个间隙的弧压降叠加，使整个防雷装置弧压降升高，当弧压降大于或者等于源电压时，能有效地熄灭电弧。如公开号为CN101090197A高效层叠式石墨放电间隙装置，公开号为CN1377108A承载雷电流的火花间隙装置，均属于该类。这类防雷器的缺点有两个，其一、放电电压不稳定，尤其是按国际行业标准IEC61643-11:2011测试1.2/50μs6kV放电电压时不稳定，残压较高，一般在2500V以上；其二、能量难以控制，在做10/350μs冲击时，由于能量控制困难，使得电容常常被击穿，甚至爆炸。

由于以上的几种防雷技术都存在不足，因此需要进行改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种低残压、耐受大能量冲击的链式放电防雷电路。

本发明所提供的链式放电防雷电路，包括：

第一电力系统连接端，与电力系统的L线或N线连接；

第二电力系统连接端，与电力系统的N线或PE连接；

N个间隙，该N个间隙串联设置，串联的间隙具有位于首端的首端电极，位于末端的末端电极，每两个相邻的间隙形成一个节点，N个串联的间隙形成N-1个节点，位于首端的首端电极与该第一电力系统连接端连接，位于末端的末端电极与该第二电力系统连接端连接；

K个压敏电阻；

M个电容；

其中，K个压敏电阻的第一连接端和M个电容的第一连接端与节点一一连接，K个压敏电阻的第二连接端和M个电容的第二连接端与该第二电力系统连接端连接，M+K＝N-1，N为自然数，且N≥3，M≥1以及K≥1。

进一步，从串联的间隙的首端到末端的方向，

单个压敏电阻和单个电容交替与该N-1节点对应连接；

多个压敏电阻和单个电容交替与该N-1节点对应连接；或

多个压敏电阻和多个电容交替与该N-1节点对应连接。

进一步，在链式放电防雷电路中，M＝K。

进一步，在链式放电防雷电路中，N＝12或N＝4。

进一步，单个间隙的间隙距离在0.1mm到1mm之间。

进一步，每个间隙的间隙距离为0.2mm，0.25mm，0.3mm，0.4mm或0.5mm。

进一步，每两个间隙的间隙距离相同或不同。

进一步，该压敏电阻的压敏电压的范围是300V-1800V。

进一步，该压敏电阻的压敏电压为360V，620V，780V，910V，1000V，1100V，1200V，1500V或1800V。

进一步，每两个压敏电阻的压敏电压相同或不同。

进一步，该M个电容的电容值的范围是33pF到100nF，该M个电容的耐压值大于等于1kV。

进一步，单个电容的电容值是120pF，470pF，560pF，1000pf或10nF，耐压值是1kV，2kV，3kV，4kV，5kV或10kv。

本发明所提供的链式放电防雷电路的有益效果是：采用本发明提供的链式放电防雷电路，可以将防雷器残压控制到2000V以内，通过精心设计可以达到1500V的低残压水平，更有效的保护用电设备。另外，该链式放电防雷电路可主动控制能量，通过调节间隙距离和压敏电阻导通电压，可以达到控制通过压敏电阻的能量(表现形式为电流)，只要使间隙导通前，防雷器声称最大通流情况下，通过压敏电阻的能量小于压敏电阻本身能耐受的能量，就可以实现触发点火支路的能量控制，保证用于点火的压敏电阻不会损坏。从而实现既能保证防雷器耐受较大能量的冲击，又不损坏用于辅助点火的压敏电阻。

附图说明

图1为本发明实施例的一种链式放电防雷电路；

图2为本发明实施例的第二种链式放电防雷电路；

图3为本发明实施例的第三种链式放电防雷电路；

图4为本发明实施例的第四种链式放电防雷电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明的链式放电防雷电路包括:第一电力系统连接端102，第二电力系统连接端110，N个间隙104，K个压敏电阻106和M个电容108。第一电力系统连接端102与电力系统的L线或N线连接。第二电力系统连接端110与电力系统的N线或PE连接。该N个间隙104串联设置，串联的间隙104具有位于首端的首端电极，位于末端的末端电极，每两个相邻的间隙形成一个节点，N个串联的间隙形成N-1个节点，位于首端的首端电极与该第一电力系统连接端102连接，位于末端的末端电极与该第二电力系统连接端110连接。K个压敏电阻106的第一连接端和M个电容108的第一连接端与节点一一连接，K个压敏电阻106的第二连接端和M个电容108的第二连接端与该第二电力系统连接端连接，M+K＝N-1，N为自然数，且N≥3，M≥1以及K≥1。在一些实施例中，从串联的间隙的首端到末端的方向，单个压敏电阻和单个电容交替与该N-1节点对应连接；多个压敏电阻和单个电容交替与该N-1节点对应连接；或多个压敏电阻和多个个电容交替与该N-1节点对应连接。在一些实施例中，M＝K。在一些实例中N＝12或N＝4。

在一些实施例中，该间隙104包括耐高温的导电电极和绝缘隔片。该耐高温的导电电极的材料可以为石墨，铜或铜合金。单个间隙的间隙距离在0.1mm到1mm之间。在一些实施例中，每个间隙的间隙距离为0.2mm，0.25mm，0.3mm，0.4mm或0.5mm。在一些实施例中，两个间隙的间隙距离可以相同或不同。

在一些实施例中，该压敏电阻106的压敏电压的范围是300V-1800V。在一些实施例中，该压敏电阻的压敏电压为360V，620V，780V，910V，1000V，1100V，1200V，1500V或1800V。在各个实施例中，两个压敏电阻的压敏电压可以相同或不同。

在一些实施例中，该M个电容的电容值的范围是33pF到100nF，该M个电容的耐压值大于等于1kV。在一些实施例中，单个电容的电容值是120pF，470pF，560pF，1000pf或10nF，耐压值是1kV，2kV，3kV，4kV，5kV或10kv。

参见图1，当电源系统遭遇雷电引起过电压时，或者其它电源系统本身的过电压，如感性负载突然工作或停止引起操作过电压、开关突然动作引起的操作过电压时。过电压施加到该链式放电防雷电路的第一电力系统连接端102和第二电力系统连接端110上，此时电压实质上施加在第一个间隙GAP1串其它间隙(GAP2…GAPn)或串压敏电阻或串电容等形成的n条并联回路上。分别为(为了叙述方便，以下使用“+”代表串联)

1GAP1+MOV1(压敏电阻1)

2GAP1+GAP2+C1

3GAP1+GAP2+GAP3+MOV2

……

(N-2)GAP1+GAP2+GAP3+…+GAPn-2+MOVk

(N-1)GAP1+GAP2+GAP3+…+GAPn-1+Cm

(N)GAP1+GAP2+GAP3+…+GAPn-1+GAPn

显然，最容易导通的回路是第(1)条回路，即GAP1+MOV1回路。正常情况下，即电源系统电压为120VAC，50/60Hz，考虑到本发明的间隙距离的下限为0.10mm，间隙为平板间隙，经验和测试数据表明0.1mm的平板间隙击穿电压为300VDC，相当于210VAC。再串上MOV1，120VAC电压不会使其导通。当系统出现各种形式的过电压时，需要经历以下物理过程。

1、电压首先使间隙GAP1+MOV1导通，导通后间隙GAP1相当于短路，而MOV1暂时承受所有过电压。

2、所有电压施加在MOV1和第(2)条回路GAP1+GAP2+C1上，GAP2与C1共同承担电压，由于C1的电容远远大于GAP2的电容，根据电容分压原理，大部分电压施加在GAP2上，当GAP2承受的电压超过其击穿电压时，GAP2导通，GAP2短路。

3、所有电压施加在GAP3+MOV2和其余N-3条回路上，最容易导通的为第三条回路，即GAP1+GAP2+GAP3+MOV2，接下来重复1和2描述的物理过程，如此重复，形成链式放电，直到第N条回路，也就是串联的N个间隙导通。

主要能量(超过99％的能量)由间隙通路即第N条回路泄放，整个过程，防雷装置两端的残压最高的时刻为第(1)条回路导通，而第二条回路尚未导通的时刻，一般低于2000V，精心设计可以降低到1500V以内。间隙放电有分散性，容易导致震荡现象，即使间隙放电时，由于震荡的存在，间隙两端的电压可能瞬间超过施加在其两端的过电压，这个瞬间的电压对接在防雷电路后面的用电设备可能是致命的，这也是间隙型防雷电路的一个劣势。为了消除间隙放电的振荡现象，在一个或多个MOV与间隙放电的回路下面，使用电容，一方面与间隙形成电容分压器，促使主间隙导通，另一方面消除振荡现象，以使防雷电路达到更好的保护效果。

在具体实施例中，如图2所示，压敏电阻和电容交替与间隙间的节点连接，压敏电阻和电容的数量相等，间隙的数量等于3，压敏电阻和电容的数量等于1。

在另一些实施例中，电源系统的电压为220VAC，50/60Hz，间隙的间隙距离大于0.1mm。

通过上面的分析，我们知道，单个间隙的击穿电压大约为几百伏特，而我们选用的MOV只需要使两端的残压大于间隙击穿电压，间隙就会导通，MOV的使命便完成了，MOV要到达几百伏特的残压很容易实现，以静态参数Vdc(压敏电阻的一个重要参数，描述为使压敏电阻通过1mA直流电流时的电压)为600V的压敏电阻为例，只需要通过毫安(mA)级别的电流时，残压就会是600V以上，这个电压已经足以使0.2mm间距的平板间隙导通，我们知道，压敏电阻的瞬间能量耐受可以是数千安(kA)的电流，实例中我们选用瞬间耐受1kA以上8/20μs(IEC61643-11:2011规定的用于防雷器测试的电流波形)电流冲击的压敏电阻来实施辅助点火，同时使用电容消除振荡，以实现控制能量和吸收电压振荡尖峰的目的。即使用了压敏电阻的残压触发和电容的分压触发和滤波特性，最终使主间隙导通泄放主要能量，同时优先控制触发能量和保证了防雷电路的较好的残压水平。

为了说明工作原理，我们在上面花了很大的篇幅来介绍原理技术，实质上，这一系列物理过程是在极短的时间完成，不超过200ns，从示波器上看，100ns内，第N条回路，纯间隙回路也就是主泄放回路就已经击穿导通了。

在图1中示出的例子中，压敏电阻和电容交替与间隙间的节点连接。在图3所示的实施例中，也可以是多个压敏电阻和单个电容交替与该N-1节点对应连接。在图4所示的实施例中，也可以是多个压敏电阻和多个电容交替与该N-1节点对应连接。在具体实施例中，间隙的数量为4个，可以2个压敏电阻的一端先与间隙间的第一和第二个节点分别连接，接着1个电容的一端与剩下的节点连接。压敏电阻和电容的另一端与第二电力系统连接端连接。在某些实施例中，间隙的数量也可以是12个，可以是多个压敏电阻和单个电容交替与11个节点对应连接，也可以是多个压敏电阻和多个电容交替与11个节点对应连接。

采用本发明提供的链式放电防雷电路，可以将防雷器残压控制到2000V以内，通过精心设计可以达到1500V的低残压水平，更有效的保护用电设备。另外，该链式放电防雷电路可主动控制能量，通过调节间隙距离和压敏电阻导通电压，可以达到控制通过压敏电阻的能量(表现形式为电流)，只要使间隙导通前，防雷器声称最大通流情况下，通过压敏电阻的能量小于压敏电阻本身能耐受的能量，就可以实现触发点火支路的能量控制，保证用于点火的压敏电阻不会损坏。从而实现既能保证防雷器耐受较大能量的冲击，又不损坏用于辅助点火的压敏电阻。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种链式放电防雷电路，其特征在于，包括：

第一电力系统连接端，与电力系统的L线或N线连接；

第二电力系统连接端，与电力系统的N线或PE连接；

N个间隙，该N个间隙串联设置，串联的间隙具有位于首端的首端电极，位于末端的末端电极，每两个相邻的间隙形成一个节点，N个串联的间隙形成N-1个节点，位于首端的首端电极与该第一电力系统连接端连接，位于末端的末端电极与该第二电力系统连接端连接；

K个压敏电阻；

M个电容；

其中，K个压敏电阻的第一连接端和M个电容的第一连接端与节点一一连接，K个压敏电阻的第二连接端和M个电容的第二连接端与该第二电力系统连接端连接，M+K＝N-1，N为自然数，且N≥3，M≥1以及K≥1。

2.如权利要求1所述的链式放电防雷电路，其特征在于：

从串联的间隙的首端到末端的方向，

单个压敏电阻和单个电容交替与该N-1节点对应连接；

多个压敏电阻和单个电容交替与该N-1节点对应连接；或

多个压敏电阻和多个电容交替与该N-1节点对应连接。

3.如权利要求1所述的链式放电防雷电路，其特征在于M＝K。

4.如权利要求1所述的链式放电防雷电路，其特征在于N＝12或N＝4。

5.如权利要求1所述的链式放电防雷电路，其特征在于单个间隙的间隙距离在0.1mm到1mm之间。

6.如权利要求1所述的链式放电防雷电路，其特征在于每个间隙的间隙距离为0.2mm，0.25mm，0.3mm，0.4mm或0.5mm。

7.如权利要求1所述的链式放电防雷电路，其特征在于：每两个间隙的间隙距离相同或不同。

8.如权利要求1所述的链式放电防雷电路，其特征在于：该压敏电阻的压敏电压的范围是300V-1800V。

9.如权利要求1所述的链式放电防雷电路，其特征在于：该压敏电阻的压敏电压为360V，620V，780V，910V，1000V，1100V，1200V，1500V或1800V。

10.如权利要求1所述的链式放电防雷电路，其特征在于：每两个压敏电阻的压敏电压相同或不同。

11.如权利要求1所述的链式放电防雷电路，其特征在于：该M个电容的电容值的范围是33pF到100nF，该M个电容的耐压值大于等于1kV。

12.如权利要求1所述的链式放电防雷电路，其特征在于：单个电容的电容值是120pF，470pF，560pF，1000pf或10nF，耐压值是1kV，2kV，3kV，4kV，5kV或10kv。