CN109245079A - 一种新型的浪涌保护器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的浪涌保护器，包括第一压敏电阻元件、第二压敏电阻元件、气体放电管、发热元件和低热阻导热端头，第一压敏电阻元件和发热元件并联形成并联支路，第二压敏电阻元件和气体放电管串联形成串联支路，并联支路再与串联支路串联，形成组合电路，第一压敏电阻元件耐受电涌冲击的性能高于第二压敏电阻元件耐受电涌冲击的性能；单端口组合电路的引出端子中有一个为低热阻导热端头，低热阻导热端头与发热元件相互热耦合，或低热阻导热端头与第二压敏电阻元件相互热耦合，或低热阻导热端头与气体放电管相互热耦合。

Description

一种新型的浪涌保护器

技术领域

本发明涉及电源技术领域，特别涉及一种新型的浪涌保护器。

背景技术

浪涌保护器(简称SPD)作为一种标准的低压电器，广泛应用于低压输配电线路中，可对线路中出现的由雷电等引起的电涌进行有效的吸收和抑制，对改善电网输电质量、保证用电电器安全具有明显的作用。

SPD的核心部件是浪涌抑制元件，最常用的是压敏电阻陶瓷芯片。由于输配电线路传输距离较长，又容易暴露在露天，相比室内电器设备更容易遭受高能量电涌脉冲，在SPD的设计寿命期内，压敏电阻陶瓷芯片更容易遭到超过额定规格的高能量电涌的多次冲击，造成压敏电阻的劣化失效。由于压敏电阻是短路失效模式，一旦击穿失效，就会引起供电线路短路故障，击穿点会出现炸裂、冒烟、拉弧、严重时甚至会造成起火燃烧。

改善方案一是最常用的方法，具体原理图见附图1，在压敏电阻陶瓷芯片1的两个端面电极上，分别焊接连接一片导电和导热性能都优异的薄铜片电极2，薄铜片电极2预制有引出端子3，薄铜片电极2在起到导电电极作用的同时也与压敏电阻陶瓷芯片1形成热耦合，能将压敏电阻陶瓷芯片1产生的热量传导到引出端子3上。在其中一个引出端子3上用低熔点合金5焊接一片弹性金属片4形成过热脱离器。当压敏电阻陶瓷芯片1劣化到漏电流进入毫安级时，开始进入加速劣化区，漏电流会使压敏电阻陶瓷芯片1发热促使漏电流进一步增大，又加速了压敏电阻陶瓷芯片1发热，最终将使压敏电阻陶瓷芯片1热击穿。当热量达到低熔点合金5熔断温度时，过热脱离器动作切断电源，使压敏电阻陶瓷芯片1在击穿短路前退出电网，达到了保护的目的。该方案可将大部份压敏电阻陶瓷芯片1的失效模式从恶性的短路模式转换为影响很小的开路模式，极大地提高了SPD的安全性。

但是该方案仍然还存在一些缺陷，由于过热脱离器的动作需要延迟数秒时间，而压敏电阻陶瓷芯片1漏电流进入毫安级开始加速劣化发热时，瓷体内部的缺陷已经很严重了，有部份芯片的缺陷严重到从开始发热到击穿短路的时间很短，热量还来不及传导到过热脱离器将低熔点合金5熔化，短路事故就发生了。另外一种并不少见的情况就是当压敏电阻陶瓷芯片1劣化到临近加速劣化区时，这时压敏电阻陶瓷芯片1的漏电流还小于毫安级，还能够维持热稳定，还能够在电网的工作电压下维持工作，但它此时的压敏电压值已经比刚开始投入使用时的初始值有明显的大幅度下降，这时的压敏电阻陶瓷芯片1的抗电涌冲击的能力已经很脆弱了，一个能量不算太大的电涌都可以将它击穿或接近击穿，此时它的击穿短路时间也是太快，由于过快的击穿短路时间导致过热脱离器来不及响应动作而起不到保护作用。

改善方案二是中国台湾编号为TW1231078B的技术发明方案，原理图见图2，一种过电压保护装置，包含有在输电干线线路(1，2)之间的一气体放电避雷器3，一变阻器4和一热熔丝元件5，其工作确保该装置的热拆接。其包括，与变阻器4平行的一电阻器7，在气体放电避雷器3的短路之后，造成热熔丝元件5的加热，以便触发该装置的热拆接。与热熔丝元件5相连接的弹簧6，其负责在元件5烧断之后确保有效的拆接。变阻器4与一个电阻器7并联后再与气体放电避雷器3串联，所述气体放电避雷器3耐受电涌冲击的能力要小于变阻器4，当气体放电避雷器3率先劣化短路失效后，电网电压加在电阻器7两端使其发热并将与其热耦合的热熔丝元件5熔断，从而使电路脱离电网。

仔细研究该方案后发现该方案没有实用性，原因之一是由于气体放电避雷器3在导通状态下只要加有连续电压(包括交流或直流)，都会出现续流而继续维持导通状态，直到其两端电压低于30伏或者流过的电流小于20毫安后才能够返回到断开状态。而该方案如果用于220伏的电网中，一旦一个电涌脉冲将气体放电避雷器3导通，电网电压将通过电阻器7加在气体放电避雷器3两端，远远高于其30伏的辉光维持电压，而要使电阻器7发热到熔断器动作，其流过的电流至少要在几十毫安以上，以几百毫安至几十安培为最好，也远远大于20毫安。所以，能使气体放电避雷器3返回到断开状态的两个实际条件都不存在或极小几率存在，致使该方案如果投入实际应用中，将会导致热熔丝元件5频繁的误动作而失去使用价值。

其次，由于气体放电避雷器3与变阻器4的工作原理完全不同，它们对不同形状的电涌的吸收能力也有很大的不同，例如，用20微秒宽度的电涌脉冲确定出的元件规格型号可以满足变阻器4的耐受电涌冲击能力大于气体放电避雷器3的耐受电涌冲击能力，在2毫秒宽度的电涌脉冲下，就有可能不正确了。由于实际应用中电涌的波形是各种各样的形状都有，要做到正确的匹配是非常困难的事情。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种新型的浪涌保护器。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种新型的浪涌保护器，包括第一压敏电阻元件、第二压敏电阻元件、气体放电管、发热元件和低热阻导热端头，所述第一压敏电阻元件和发热元件并联形成并联支路，所述第二压敏电阻元件和气体放电管串联形成串联支路，所述并联支路再与所述串联支路串联，形成一个单端口组合电路，其中，所述第一压敏电阻元件耐受电涌冲击的性能高于所述第二压敏电阻元件耐受电涌冲击的性能；

所述单端口组合电路的两个引出端子中有一个为低热阻导热端头，所述低热阻导热端头与所述发热元件相互热耦合，或所述低热阻导热端头与所述第二压敏电阻元件相互热耦合，或所述低热阻导热端头与所述气体放电管相互热耦合。使用时，在所述低热阻导热端头连接过热脱离器，所述发热元件的居里温度点高于所述过热脱离器的动作温度。

本发明的工作原理分析如下：

由第一压敏电阻元件、第二压敏电阻元件、气体放电管组成的串联回路是吸收电涌脉冲的主通道，当没有电涌脉冲时压敏电阻均处于高阻状态，气体放电管处于断开状态，电涌到来时，压敏电阻元件均呈低阻状态，气体放电管导通，电涌能量由此回路泄放。此时，气体放电管两端的电压极低，SPD的限压保护水平可认为是第一压敏电阻元件的残压值与第二压敏电阻元件的残压值之和。电涌消失后，第二压敏电阻元件切断了气体放电管的续流，使放电管返回到断开状态。为了确保电涌通道中的元器件劣化要从第二压敏电阻元件开始，在耐受电涌冲击能力选择上，应遵循第一压敏电阻元件的耐受能力大于第二压敏电阻元件的原则，以达到当第二压敏电阻元件已经严重劣化或短路失效后，切不断气体放电管的续流，开始启动热保护回路时，第一压敏电阻元件还基本完好的目的。

另一条回路是由气体放电管、第二压敏电阻元件与发热元件串联而成的热保护回路，并通过低热阻导热端头连接到过热脱离器。当元件完好无电涌时，由于气体放电管处于断开不导通状态，热保护回路没有电流流过。即使当电涌来临时，由于电路中的发热元件在常温下仍有几欧姆到几百欧姆的阻值，而与其并联的第一压敏电阻元件在吸收电涌导通状态下其动态电阻可低至0.1欧姆以下，绝大部份浪涌电流从第一压敏电阻元件通过，并且发热元件两端的电压还被限制在第一压敏电阻元件的残压值，流过发热元件的浪涌电流在此条件下最多也就是几百安培，在很短的时间内发热元件产生的热量极小而电涌就消失了，热保护回路会因发热微弱而不动作。浪涌脉冲消失后，第二压敏电阻元件将起到切断气体放电管的续流，促使其返回断开状态的作用。

第二压敏电阻元件在本发明中切断气体放电管的续流的工作原理是：

当气体放电管工作在工频交流环境中时，电涌脉冲使放电管导通，当电涌消失后，如果回路中没有串联第二压敏电阻元件，电网电压将通过发热元件形成续流，此时该电流是标准的正弦波，虽然在电流正负半周的转换过零点处电流为零，但是由于放电管导通后的惰性作用，过零点处的瞬时零电流不能使放电管返回到断开状态，放电管将维持导通，形成续流。

而压敏电阻元件在交流正弦波的幅值低于其压敏电压值时呈高阻不导通状态，当交流正弦波的幅值高于其压敏电压值时又呈低阻导通状态。那么，当热保护回路中串联了第二压敏电阻元件后，工频交流的每一个正弦波都被分为图4所示的几个区间，其中t₁，t₃，t₄，t₆区间的电压幅值都低于第二压敏电阻元件的压敏电压值，在这些区间内流过回路的电流都为1毫安以下的漏电流。而t₂，t₅区间的电压幅值都高于第二压敏电阻元件的压敏电压，回路中可以有大的电流流过，因此，回路电流被整形为图5所示的脉冲图形。

研究发现，在工频电网中，当第二压敏电阻元件的压敏电压值达到电网峰值电压的一定比例以后，其t₁，t₃，t₄，t₆不导通区间的宽度就大到可以遮断放电管的续流，使其返回到断开状态了。因此，压敏电压的选值要达到电网峰值电压的一定比例以上。实验中发现，第二压敏电阻元件的压敏电压值在电网电压峰值的0.5倍及以上时，是可以切断放电管的续流的。

本发明的失效机理分析如下：

当第二压敏电阻元件严重劣化或短路击穿后，一旦电涌脉冲使回路中的放电管导通，电网电压将施加在发热元件和放电管回路上，放电管就返回不了断开状态出现续流，热保护回路的电流增大，使发热元件发热，并最终在居里温度点上方达到热平衡，把电流箝制在较小数值，热量可以从容地从导热端头传导到过热脱离器，温度可以达到居里温度附近，过热脱离器的动作温度设定在低于居里温度处，可以可靠地脱离动作，从而使损坏了的SPD脱离电网线路。本技术方案可以使损坏后的SPD以这种安全的方式退出电网。由于过热脱离器一般都设置有状态指示器或者电、声、光报警装置，很快就会被发现，维修人员可以方便地进行更换，达到了安全使用的目的。从而大大提高了SPD的安全性和可靠性，线路上连接的用电设备失效率也将大幅度减小。

考虑到电涌吸收主回路中的第一压敏电阻元件还要在第二压敏电阻元件短路击穿，放电管出现续流导通时呈高阻状态，第一压敏电阻元件自身不能过度发热进入加速劣化状态，造成电涌吸收主回路短路的危害，因此，第一压敏电阻元件的压敏电压的选值宜在电网电压峰值的0.9倍以上，即使超过了电网的峰值电压，也不会造成危险。

具体的，所述第一压敏电阻元件的压敏电压值大于或等于280V，其能够应用于接入220V电网；

或者，所述第一压敏电阻元件的压敏电压值大于或等于140V，其能够应用于接入110V电网；

或者，所述第一压敏电阻元件的压敏电压值大于或等于484V，其能够应用于接入380V电网。

由于气体放电管直流击穿电压值的高低并不影响其导通后的限制电压水平，因此可以将它选高一点以耐受电网电压的异常波动。

优选的，所述第一压敏电阻元件的耐冲击电流额定值高于所述第二压敏电阻元件的耐冲击电流额定值。

优选的，所述第一压敏电阻元件的电极面积大于所述第二压敏电阻元件的电极面积。衡量压敏电阻元件耐受电涌冲击能力有多项技术指标，最主要有：冲击电流I_imp，电流波形为10/350μs；最大放电电流I_max，电流波形为8/20μs；能量耐量，电流波形为2ms方波；电流冲击稳定性，就是以8/20μs波形标称放电电流In重复冲击所能耐受的次数等。相同几何尺寸下，通过调整瓷料配方或工艺参数可以优化其中一项或多项参数指标，但要全面提升还是比较困难。但是这些技术指标都是与压敏电阻元件电极的面积成正比，因此，相同工艺条件下只要加大第一压敏电阻元件电极的面积，就可以确保耐受电涌冲击能力全面超过第二压敏电阻元件。

优选的，所述第一压敏电阻元件的标称直径至少大于所述第二压敏电阻元件的标称直径一个序列号。由于相邻序列号的直径比约为1.25倍，它们耐受电涌冲击能力的参数差别约为1.5倍，只要将第二压敏电阻元件设计成与应用环境相匹配，那么第一压敏电阻元件就属于冗余设计，其失效率将比第二压敏电阻元件呈数量级减少，就可以保证让第二压敏电阻元件先劣化。

优选的，所述第一压敏电阻元件的一个电极面上连接有所述发热元件和气体放电管的一个电极面，所述气体放电管的另一个电极面上连接有所述第二压敏电阻元件的一个电极面，所述第二压敏电阻元件的另一个电极面上连接有一个引出端子，所述发热元件的另一个电极面上连接有低热阻导热端头和所述第一压敏电阻元件的另一个电极。元件的连接优先选择电极面之间直接焊接，尽量少用内部连接引线或导电支架。

优选的，所述第一压敏电阻元件、所述气体放电管、所述第二压敏电阻元件、所述发热元件封装为一体，用绝缘材料将除两引出端子外的其余表面裹封。

优选的，具有导热功能的低热阻导热端头采用铜等导热性能优良的材料，具有足够大的横截面积。并采用焊接等热耦合方式连接在发热源上，并且导热端头距发热源的距离要尽量的短、以获得最低的热阻，保证有足够的热量传导到过热脱离器。

优选的，所述发热元件为正温度系数热敏电阻元件。正温度系数热敏电阻元件是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度(居里温度)时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。

优选的，所述发热元件为呈线性特征的电阻元件，呈线性特征的电阻元件的电流跟电压基本成正比，即其特性方程主要是齐次线性的，并且遵从欧姆定律。呈线性特征的电阻元件在热保护回路中也可以起到以下作用：一是限流作用，当所述热保护回路启动保护后，呈线性特征的电阻可以将热保护回路中的电流限制在安全值以内，不会造成所述浪涌保护电路短路烧毁；二是发热作用，安全值以内的电流持续通过所述呈线性特征的电阻将会使它升温到使过热脱离器动作，同样可以达到热保护的目的。为达到上述效果，热保护回路的电流值在第二压敏电阻元件短路失效的情况下为几十毫安至几十安培为宜，对应的呈线性特征的电阻元件的电阻值为几千欧姆至几欧姆。

在本发明中，呈线性特征的电阻既包括线性电阻，也允许含有一些非线性成分(该非线性成分要较小，其主要还是体现出欧姆定律特征)，但要求功率要足够大，耐压要足够高，至少要坚持到过热脱离器动作前不能损坏失效。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明同时设有由第一压敏电阻元件、第二压敏电阻元件、气体放电管串联组成的吸收电涌脉冲的主通道，以及由气体放电管、第二压敏电阻元件、发热元件串联而成的热保护回路，且两条回路并联。在失效情况下，SPD的过热脱离器会动作切断电源，使得SPD最终以开路模式退出电路，相对于传统的短路模式，极大地提高了SPD的安全性，防止了短路击穿时产生的冒烟、拉弧、甚至起火燃烧的恶性事故。同时，过热脱离器上设有的状态指示器或者电、声、光报警装置，使得损坏的SPD很快就会被发现，维修人员可以方便地进行更换，达到了安全使用的目的，从而大大提高了SPD的安全性和可靠性，线路上连接的用电设备失效率也将大幅度减小。

附图说明：

图1是背景技术所述的改善方案一的原理示意图。

图1中标记：1-压敏电阻陶瓷芯片，2-薄铜片电极，3-引出端子，4-弹性金属片，5-低熔点合金。

图2是背景技术所述的改善方案二的原理示意图。

图2中标记：1-输电干线线路，2-输电干线线路，3-气体放电避雷器，4-变阻器，5-热熔丝元件，6-弹簧，7-电阻器。

图3是本发明所述的一种新型的浪涌保护器的电路示意图。

图4是交流正弦波的示意图。

图5是串联第二压敏电阻元件后的回路电流的示意图。

图6是本发明所述的一种新型的浪涌保护器的结构示意图。

图3-图6中标记：1-第一压敏电阻元件，2-第二压敏电阻元件，3-气体放电管，4-发热元件，5-低热阻导热端头。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

如图3所示，一种新型的浪涌保护器，包括第一压敏电阻元件1、第二压敏电阻元件2、气体放电管3、发热元件4和低热阻导热端头5，所述第一压敏电阻元件1和发热元件4并联形成并联支路，所述第二压敏电阻元件2和气体放电管3串联形成串联支路，所述并联支路再与所述串联支路串联，形成一个单端口组合电路，其中，所述第一压敏电阻元件1耐受电涌冲击的性能高于所述第二压敏电阻元件2耐受电涌冲击的性能，所述第一压敏电阻元件1的压敏电压值大于或等于所接入的电网工作电压峰值的0.9倍；

所述单端口组合电路的两个引出端子中有一个为低热阻导热端头5，所述低热阻导热端头5与所述发热元件4相互热耦合。发热元件4选择正温度系数热敏电阻元件，优选的，正温度系数热敏电阻元件可替换为呈线性特征的电阻元件。

第一压敏电阻元件1选择两片标称直径40mm的正方形压敏瓷片(40K301x2)并联后等效替代以减小安装面积，该并联方式为本行业为减小安装面积而采用的常规方式。其压敏电压值为300伏，最大放电电流Imax为80KA；气体放电管3选择最大放电电流Imax为40KA，直流击穿电压750伏的陶瓷放电管；第二压敏电阻元件2选择标称直径40mm的正方形压敏电阻片40K301，压敏电压值为300伏，最大放电电流Imax为40KA；发热元件4选择正温度系数热敏电阻元件，其为居里温度点180℃，常温阻值3欧姆的瓷片，与其配套的过热脱离器的动作温度为120℃。

具体的组装形式如图6所示，所述第一压敏电阻元件1的一个电极面上连接有所述发热元件4和气体放电管3的一个电极面，所述气体放电管3的另一个电极面上连接有所述第二压敏电阻元件2的一个电极面，所述第二压敏电阻元件2的另一个电极面上连接有一个引出端子，所述发热元件4的另一个电极面上连接有低热阻导热端头5和所述第一压敏电阻元件1的另一个电极。所述第一压敏电阻元件1、所述气体放电管3、所述第二压敏电阻元件2、所述发热元件4封装为一体。

将整套装置连接在220伏工频线路上，并施加In＝20KA的电涌重复冲击，第102次冲击后过热脱离器动作，冷却到常温后测试第二压敏电阻元件2已经击穿短路，而第一压敏电阻元件1仍为330伏维持不变。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种新型的浪涌保护器，包括第一压敏电阻元件(1)、第二压敏电阻元件(2)、气体放电管(3)、发热元件(4)和低热阻导热端头(5)，其特征在于，所述第一压敏电阻元件(1)和发热元件(4)并联形成并联支路，所述第二压敏电阻元件(2)和气体放电管(3)串联形成串联支路，所述并联支路再与所述串联支路串联，形成一个单端口组合电路，其中，所述第一压敏电阻元件(1)耐受电涌冲击的性能高于所述第二压敏电阻元件(2)耐受电涌冲击的性能；

所述单端口组合电路的两个引出端子中有一个为低热阻导热端头(5)，所述低热阻导热端头(5)与所述发热元件(4)相互热耦合，或所述低热阻导热端头(5)与所述第二压敏电阻元件(2)相互热耦合，或所述低热阻导热端头(5)与所述气体放电管(3)相互热耦合。

2.根据权利要求1所述的一种新型的浪涌保护器，其特征在于，所述第一压敏电阻元件(1)的压敏电压值大于或等于280V，其能够应用于接入220V电网；

或者，所述第一压敏电阻元件(1)的压敏电压值大于或等于140V，其能够应用于接入110V电网；

或者，所述第一压敏电阻元件(1)的压敏电压值大于或等于484V，其能够应用于接入380V电网。

3.根据权利要求1所述的一种新型的浪涌保护器，其特征在于，所述第一压敏电阻元件(1)的压敏电压值大于或等于所接入的电网工作电压峰值的0.9倍。

4.根据权利要求1所述的一种新型的浪涌保护器，其特征在于，所述第一压敏电阻元件(1)的电极面积大于所述第二压敏电阻元件(2)的电极面积。

5.根据权利要求1所述的一种新型的浪涌保护器，其特征在于，所述第一压敏电阻元件(1)的标称直径至少大于所述第二压敏电阻元件(2)的标称直径一个序列号。

6.根据权利要求1所述的一种新型的浪涌保护器，其特征在于，所述发热元件(4)为正温度系数热敏电阻元件。

7.根据权利要求1所述的一种新型的浪涌保护器，其特征在于，所述发热元件(4)为呈线性特征的电阻元件。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种新型的浪涌保护器，其特征在于，所述第一压敏电阻元件(1)的一个电极面上连接有所述发热元件(4)和气体放电管(3)的一个电极面，所述气体放电管(3)的另一个电极面上连接有所述第二压敏电阻元件(2)的一个电极面，所述第二压敏电阻元件(2)的另一个电极面上连接有一个引出端子，所述发热元件(4)的另一个电极面上连接有低热阻导热端头(5)和所述第一压敏电阻元件(1)的另一个电极。

9.根据权利要求1-7任一所述的一种新型的浪涌保护器，其特征在于，所述第一压敏电阻元件(1)的耐冲击电流额定值高于所述第二压敏电阻元件(2)的耐冲击电流额定值。