CN109510184A - 一种电涌保护装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电涌保护装置及系统，包括：第一开关型电涌保护器、第二开关型电涌保护器和阻抗器件；所述第二开关型电涌保护器与所述第一开关型电涌保护器串联以形成雷电冲击电流的泄放通道，所述阻抗器件与所述第一开关型电涌保护器并联以限制所述第一开关型电涌保护器的续流电流的幅值，并与所述第二开关型电涌保护器形成所述续流电流的泄放通道。采用本发明的电涌保护装置及系统，能够有效避免灭弧失效，且能提高电压保护的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及过压保护技术领域，尤其涉及一种电涌保护装置及系统。
背景技术
电涌保护装置是一种连接在电子设备或低压配电系统中的过电压保护装置，其主要用于泄放雷电流、雷电感应和开关操作引起的浪涌电流，并限制过电压的幅值，从而避免浪涌电流对回路中其他设备的损害。
为了提高电涌保护装置泄放浪涌电流的能力，通常需要按照IEC 61643-11标准或GB/T 18802.1标准，采用模拟雷电冲击电流(冲击电流波形为10/350us)对用于安装在LPZ0区(Lightning Protection Zone，雷电防护区，简称LPZ)与LPZ1区之间的浪涌保护器进行测试，其中，该雷电冲击电流具有波形时间长和能量大的特点，这就要求电涌保护装置需要具备极强的电荷转移能力，才能对回路的设备进行有效保护。
为了达到上述测试要求，现有的电涌保护装置包括以下两种：
(1)单间隙+灭弧装置型电涌保护装置：该电涌保护装置采用单间隙对雷电冲击电流进泄放，当引起工频续流后，通过灭弧装置限制电弧，切断续流。该电涌保护装置具有较强的泄放雷电冲击电流的能力，但是由于其存在续流遮断的盲区，当被保护的系统产生的续流足够大时(通常在千安培级)，电弧容易被电磁力或电流热蚀绝缘材料产生的气体送到灭弧装置内，然而，当该续流为数百安培或数十安培时，电弧不易被送入灭弧装置，这会导致灭弧失败。
(2)多间隙型电涌保护装置：如图1所示，该电涌保护装置通过在续流通道中设置多个放电间隙来实现灭弧，其包括N+1个放电间隙、N个电容值相同的电容，各放电间隙串联连接，第1个放电间隙SG1与火线连接，最末一个放电间隙SGN+1接地，各电容的一端与两放电间隙之间的导电件连接，另一端接地。在雷电冲击电流的冲击下，其触发电路中的电容器在触发过程中会被充入电荷且无法及时泄放，故存在残余电荷影响电涌保护器的下一次触发，造成电涌保护器的触发电压升高，电压保护水平不稳定。
综上所述，现有的电涌保护装置存在灭弧可靠性低和电压保护水平不稳定的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的一种电涌保护装置及系统能够有效避免灭弧失效，且能提高电压保护的稳定性。
为解决上述技术问题，本发明的一种电涌保护装置，包括：第一开关型电涌保护器、第二开关型电涌保护器和阻抗器件；所述第二开关型电涌保护器与所述第一开关型电涌保护器串联以形成雷电冲击电流的泄放通道，所述阻抗器件与所述第一开关型电涌保护器并联以限制所述第一开关型电涌保护器的续流电流的幅值，并与所述第二开关型电涌保护器形成所述续流电流的泄放通道。
作为上述方案的改进，所述的电涌保护装置，还包括：连接于所述第二开关型电涌保护器所在串联支路上的热保护器；所述热保护器在温度达到预设温度阈值时动作，切断与所述第二开关型电涌保护器所在串联支路的连接。
作为上述方案的改进，所述热保护器包括温度保险丝、可复位温控器、热脱离器、双金属热断路器、机械式热脱离机构或低熔点合金断开器。
作为上述方案的改进，所述低熔点合金断开器包括弹性金属片，所述弹性金属片的一端通过低熔点合金焊接在第二开关型电涌保护器上。
作为上述方案的改进，所述阻抗器件包括电阻或所述电阻与电感构成的串联支路。
作为上述方案的改进，所述第一开关型电涌保护器和所述第二开关型电涌保护器均包括气体放电管、半导体放电管或放电间隙。
作为上述方案的改进，所述放电间隙包括石墨放电间隙、绝缘管和两个铜电极；其中，
所述石墨放电间隙包括两个石墨电极、设置于所述两个石墨电极之间的聚四氟乙烯环状薄膜、以及套设于每个石墨电极上的绝缘环；
所述绝缘管的两端设置有内螺纹；
所述两个铜电极的外壁设置有外螺纹；
所述石墨放电间隙套设于所述绝缘管内，且所述两个铜电极外螺纹部分旋入所述绝缘管的两端，实现组装。
作为上述方案的改进，所述第二开关型电涌保护器包括n个放电间隙和n-1个电容，所述n个放电间隙与所述第一开关型电涌保护器顺次连接；所述n-1个电容的第一端分别与所述第一开关型电涌保护器的第二端连接，所述n-1个电容的第二端分别与所述n个放电间隙中的第1个放电间隙至第n-1个放电间隙的第二端进行一对一连接；其中，n≥2，且n为整数。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种电涌保护系统，包括：m个上述任一种电涌保护装置和m-1电容；所述m个电涌保护装置顺次串联连接，所述m-1个电容分别与所述m个电涌保护装置中的第1个至第m-1个电涌保护装置中的第二开关型电涌保护器并联；其中，m≥2，且m为整数。
本发明提供的一种电涌保护装置及系统，具有以下有益效果：第一开关型电涌保护器和第二开关型电涌保护器串联形成雷电冲击电流(或浪涌电流)的泄放通道，并在雷电冲击电流可能引起工频续流的第一半波内作为续流通路；第一开关型电涌保护器与阻抗器件并联以限制第一开关型电涌保护器的电位差，其中，当第一开关型电涌保护器在流过工频续流后，由于阻抗器件的阻抗低，则阻抗器件在续流电流的第一个电流过零点后将第一开关型电涌保护器两个电极的电位差限制在极低的范围内，保证第一开关型电涌保护器的气体电介质能够及时恢复，进而有效熄灭续流电弧，避免灭弧失败；此外，当工频续流在第一个电流过零点后仍然具有续流电流，该阻抗器件能够限制续流电流的幅值，并与第二开关型电涌保护器形成续流电流的泄放通道，使得续流电流能够经该泄放通道进行稳定泄放，进而当工频续流的下一次触发产生续流电流的第二个电流过零点后，由于阻抗器件与第二开关型电涌保护器已将续流电流限制在一个较低的水平，则第二开关型电涌保护器可安全遮断续流，使得该电涌保护装置具有较高的电压保护水平。
附图说明
图1是现有技术中多间隙型电涌保护装置的结构示意图。
图2是本发明一种电涌保护装置一实施例的结构示意图。
图3是本发明一种电涌保护装置另一实施例的结构示意图。
图4是本发明一种电涌保护装置中热保护器一种连接方式的结构示意图。
图5是本发明一种电涌保护装置中热保护器另一种连接方式的结构示意图。
图6是本发明一种电涌保护装置再一实施例的结构示意图。
图7是本发明的电涌保护装置中具有2个放电间隙和1个电容C1的结构示意图。
图8是本发明的电涌保护装置中具有n个放电间隙和n-1个电容C1的结构示意图。
图9是本发明的一种电涌保护系统一实施例的结构示意图。
图10是本发明的电涌保护装置中放电间隙一实施例的结构示意图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
请参见附图2，是本发明一种电涌保护装置一实施例的结构示意图。
该电涌保护装置，包括：第一开关型电涌保护器PG、第二开关型电涌保护器SG和阻抗器件SI；所述第二开关型电涌保护器SG与所述第一开关型电涌保护器PG串联以形成雷电冲击电流的泄放通道，所述阻抗器件SI与所述第一开关型电涌保护器PG并联以限制所述第一开关型电涌保护器PG的续流电流的幅值，并与所述第二开关型电涌保护器SG形成所述续流电流的泄放通道。
在本发明中，该电涌保护装置具有T1端和T2端，该T1端和T2端均由铜片制成，当采用雷电浪涌波形对该电涌保护装置进行测试时，该雷电浪涌波形从T1端流入该电涌保护装置，该电涌保护装置从T2端向外泄放雷电冲击电流和续流电流。
在具体实施过程中，该电涌保护装置适用于单相系统、单相分线系统、多相系统和任何需要雷电浪涌防护的回路中。例如，该电涌保护装置可连接于单相系统的L-PE与N-PE之间，或者L-PE、N-PE与L-N之间，或者连接于三相系统的L1-L2，L2-L3，L1-L3，L1-PE，L2-PE，L3-PE与N-PE之间，或者连接于多相系统的L1-PE，L2-PE，L3-PE与N-PE之间，其中，L为相线/火线，N为中性线/零线，PE为保护线/地线。
与现有技术相比，本发明的电涌保护装置中第一开关型电涌保护器PG和第二开关型电涌保护器SG串联形成雷电冲击电流(或浪涌电流)的泄放通道，并在雷电冲击电流可能引起工频续流的第一半波内作为续流通路；第一开关型电涌保护器PG与阻抗器件SI并联以限制第一开关型电涌保护器PG的电位差，其中，当第一开关型电涌保护器PG在流过工频续流后，由于阻抗器件SI的阻抗低，则阻抗器件SI在续流电流的第一个电流过零点后将第一开关型电涌保护器PG两个电极的电位差限制在极低的范围内，保证第一开关型电涌保护器PG的气体电介质能够及时恢复，进而有效熄灭续流电弧，避免灭弧失败；此外，当工频续流在第一个电流过零点后仍然具有续流电流，该阻抗器件SI能够限制续流电流的幅值，并与第二开关型电涌保护器SG形成续流电流的泄放通道，使得续流电流能够经该泄放通道进行稳定泄放，进而当工频续流的下一次触发产生续流电流的第二个电流过零点后，由于阻抗器件SI与第二开关型电涌保护器SG已将续流电流限制在一个较低的水平，则第二开关型电涌保护器SG可安全遮断续流，使得该电涌保护装置具有可靠的续流遮断能力。另外，该电涌保护装置采用两个开关型电涌保护器就能够实现现有电涌保护装置中多个放电间隙才能实现的保护性能和安全性能，极大的减小了电涌保护装置的体积，节省了电涌保护装置的制作成本，稳定的电压保护水平。
可选的，该电涌保护装置中，第一开关型电涌保护器PG包括气体放电管、半导体放电管或放电间隙；第二开关型电涌保护器SG包括气体放电管、半导体放电管或放电间隙；阻抗器件SI包括电阻或电阻与电感构成的串联支路，该阻抗器件SI还可以是具有一定电阻值的结构器件，例如，采用机械加工方式形成的螺旋状的具有电感量和电阻值的导体；采用较高电阻率的金属丝绕制的一定形状的电阻等。
接下来，以第一开关型电涌保护器PG为气体放电管PG1，第二开关型电涌保护器SG为石墨放电间隙SG1，阻抗器件SI为电阻R与电感L构成的串联支路为例来说明该电涌保护装置的结构。
如图3所示，是本发明一种电涌保护装置另一实施例的结构示意图。
在该实施例中，气体放电管PG1的直径为20mm、高度为4mm、直流击穿电压600V、浪涌耐受能力为60kA(8/20us)；石墨放电间隙SG1为由两片石墨电极组成0.4mm的空气间隙。电阻R和电感L采用6J20型电阻丝绕制而成，其中，该电阻丝的电阻率为1.4Ω·m，该电阻R的电阻值约为1Ω，该电感L的电感值约为1.1μH。
在该实施例中，气体放电管PG1与石墨放电间隙SG1串联，形成雷电冲击电流的泄放通道，并在雷电冲击电流可能引起工频续流的第一半波内作为续流通路；电阻R和电感L形成的串联支路与气体放电管PG1并联，该电阻R和电感L形成的串联支路用于限制气体放电管PG1的续流电流的幅值，并与石墨放电间隙SG1形成续流电流的泄放通道。
请参见图4，是本发明一种电涌保护装置中热保护器的一种连接方式的结构示意图。
为了提高该电涌保护装置的安全性，该电涌保护装置还包括：连接于所述第二开关型电涌保护器SG所在串联支路上的热保护器TP；所述热保护器TP在温度达到预设温度阈值时动作，切断与所述第二开关型电涌保护器SG所在串联支路的连接。
如图4和图5所示，该实施例中，热保护器TP可以连接在第二开关型电涌保护器SG与T2端之间，也可以连接在阻抗器件SI和第一开关型电涌保护器PG形成的并联支路与第二开关型电涌保护器SG之间。当该热保护器的温度达到预设的温度阈值时，该热保护器TP动作，切断与该第二开关型电涌保护器SG的连接，使得该电涌保护装置处于安全的失效状态，避免因电涌保护装置温度过高损坏或烧毁引起次生的火灾灾害。
可选的，该热保护器TP包括温度保险丝、可复位温控器、热脱离器、双金属热断路器、机械式热脱离机构或低熔点合金断开器。下面以热保护器为温度保险丝为例，对该电涌保护装置的结构进行说明。
如图6所示，是本发明一种电涌保护装置再一实施例的结构示意图。
该电涌保护装置中，热保护器选用温度保险丝TP1，该温度保险丝TP1的额定动作温度为125℃，实际的熔断温度为121℃±3℃，额定电流为30A，浪涌耐受能力为40kA(8/20us)；阻抗器件为电阻R。当温度保险丝TP1的温度达到其熔断温度时，该温度保险丝TP1动作，切断与石墨放电间隙SG1的连接，使得该电涌保护装置处于安全的失效状态。
可选的，该热保护器中的低熔点合金断开器包括弹性金属片，该弹性金属片采用0.5厚的磷青铜冲压而成，其宽度为10mm。该弹性金属片通过低温合金焊接到第二开关型电涌保护器上，其中，该低温合金的熔点为145℃±3℃。当该低温合熔化时，弹性金属片弹离第二开关型电涌保护器。
为了提高第二开关型电涌保护器的续流分断能力，该第二开关型电涌保护器可以采用两个或两个以上的开关型电涌保护器组成。
接下来，以第一开关型电涌保护器为气体放电管、第二开关型电涌保护器为放电间隙为例，结合附图7和附图8对该结构进行详细说明。
请参见附图7和附图8，所述第二开关型电涌保护器包括n个放电间隙SG2和n-1个电容C1，所述n个放电间隙SG2与气体放电管PG1顺次连接；所述n-1个电容C1的第一端分别与所述气体放电管PG1的第二端连接，所述n-1个电容C2的第二端分别与所述n个放电间隙SG2中的第1个放电间隙至第n-1个放电间隙的第二端进行一对一连接；其中，n≥2，且n为整数。
在该实施例中，第二开关型电涌保护器中的n个放电间隙SG2与气体放电管PG1顺次连接形成雷电冲击电流泄放通道，并在雷电冲击电流可能引起工频续流的第一半波内作为续流通路；n个放电间隙SG2与电阻R形成续流电流的泄放通道；其中，n-1个电容C1的第一端分别与气体放电管PG1的第二端连接，n-1个电容C1的第二端分别与第1个放电间隙至第n-1个放电间隙的第二端进行一对一连接，可对雷电浪涌波形形成的浪涌脉冲电压进行耦合，同时可触发n个放电间隙SG2中的每个放电间隙SG2，提高第二开关型电涌保护器中的n个放电间隙SG2的续流分断触发能力。
在该实施例中，气体放电管PG1的直径为12mm、高度为6mm，直流击穿电压为600V，浪涌耐受能力20kA(8/20us)，续流遮断能力为255V下50A；电容C1选用普通的瓷片电容器，其电容值为1000pf，额定耐压2000V。
请参见附图9，本发明还提供一种电涌保护系统，该电涌保护系统包括：m个上述任一种电涌保护装置和m-1电容C2；所述m个电涌保护装置顺次串联连接，所述m-1个电容C2分别与所述m个电涌保护装置中的第1个至第m-1个电涌保护装置中的第二开关型电涌保护器并联；其中，m≥2，且m为整数。其中，以每个电涌保护装置中的第一开关型电涌保护器为气体放电管PG1、第二开关型电涌保护器为石墨放电间隙SG1、阻抗器件为电阻R和电感L的串联支路为例，对该实施例进行说明。
在该实施例中，m个电涌保护装置顺次串联实现对雷电冲击电流和续流电流的分段泄放，使得该电涌保护系统具有更强的稳定性，在实现可靠灭弧的同时还能提升电压保护水平的稳定性；并且，该m-1个电容C2用于对雷电浪涌波形形成的浪涌脉冲电压进行耦合，可触发m个电涌保护装置中的第二开关型电涌保护器，提高第二开关型电涌保护器的续流分断触发能力。
本发明的上述实施例中，如图10所示，所述放电间隙包括石墨放电间隙、绝缘管21和两个铜电极31；其中，所述石墨放电间隙包括两个石墨电极11、设置于所述两个石墨电极11之间的聚四氟乙烯环状薄膜12、以及套设于每个石墨电极11上的绝缘环(图中未示出)；所述绝缘管21的两端设置有内螺纹；所述两个铜电极31的外壁设置有外螺纹；所述石墨放电间隙套设于所述绝缘管21内，且所述两个铜电极11外螺纹部分旋入所述绝缘管21的两端，实现组装。在该实施方式中，每个石墨电极11的直径为18mm、厚度为2mm；聚四氟乙烯环状薄膜12的厚度为0.4mm、外径为20mm、内径为15mm；绝缘环的外径为20.5mm、内径为18.2mm、厚度为1.8mm，该绝缘环的作用是便于组装；绝缘管21的内径为20.6mm、长度为10mm；每个铜电极31的直径为20mm、厚度为3mm，铜电极旋入绝缘管后外露0.2mm左右。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种电涌保护装置，其特征在于，包括：第一开关型电涌保护器、第二开关型电涌保护器和阻抗器件；所述第二开关型电涌保护器与所述第一开关型电涌保护器串联以形成雷电冲击电流的泄放通道，所述阻抗器件与所述第一开关型电涌保护器并联以限制所述第一开关型电涌保护器的续流电流的幅值，并与所述第二开关型电涌保护器形成所述续流电流的泄放通道。
2.如权利要求1所述的电涌保护装置，其特征在于，还包括：连接于所述第二开关型电涌保护器所在串联支路上的热保护器；所述热保护器在温度达到预设温度阈值时动作，切断与所述第二开关型电涌保护器所在串联支路的连接。
3.如权利要求2所述的电涌保护装置，其特征在于，所述热保护器包括温度保险丝、可复位温控器、热脱离器、双金属热断路器、机械式热脱离机构或低熔点合金断开器。
4.如权利要求3所述的电涌保护装置，其特征在于，所述低熔点合金断开器包括弹性金属片，所述弹性金属片的一端通过低温合金焊接在第二开关型电涌保护器上。
5.如权利要求1所述电涌保护装置，其特征在于，所述阻抗器件包括电阻或所述电阻与电感构成的串联支路。
6.如权利要求1所述的电涌保护装置，其特征在于，所述第一开关型电涌保护器和所述第二开关型电涌保护器均包括气体放电管、半导体放电管或放电间隙。
7.如权利要求6所述的电涌保护装置，其特征在于，所述放电间隙包括石墨放电间隙、绝缘管和两个铜电极；其中，
所述石墨放电间隙包括两个石墨电极、设置于所述两个石墨电极之间的聚四氟乙烯环状薄膜、以及套设于每个石墨电极上的绝缘环；
所述绝缘管的两端设置有内螺纹；
所述两个铜电极的外壁设置有外螺纹；
所述石墨放电间隙套设于所述绝缘管内，且所述两个铜电极外螺纹部分旋入所述绝缘管的两端，实现组装。
8.如权利要求1所述的电涌保护装置，其特征在于，所述第二开关型电涌保护器包括n个放电间隙和n-1个电容，所述n个放电间隙与所述第一开关型电涌保护器顺次连接；所述n-1个电容的第一端分别与所述第一开关型电涌保护器的第二端连接，所述n-1个电容的第二端分别与所述n个放电间隙中的第1个放电间隙至第n-1个放电间隙的第二端进行一对一连接；其中，n≥2，且n为整数。
9.一种电涌保护系统，其特征在于，包括：m个如权利要求1～8中任一项所述的电涌保护装置和m-1电容；所述m个电涌保护装置顺次串联连接，所述m-1个电容分别与所述m个电涌保护装置中的第1个至第m-1个电涌保护装置中的第二开关型电涌保护器并联；其中，m≥2，且m为整数。
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