CN110350503A - 一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电涌保护领域的一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的方法。本发明将压敏电阻与放电管串联接入工频电网后，在放电管处并联电阻，就可以方便地调整电网工作电压在各个元件上的负荷比例。采用本发明的方法可以选择直流击穿电压值较低的放电管，有效降低了电涌产生时在放电管导通前窜过的波头幅值，提高保护水平同时还具有更多的耐受电网电压异常波动的余量。

Description

一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的方法

技术领域

本发明涉及电涌保护领域，特别涉及一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的方法。

背景技术

压敏电阻与放电管串联后接入工频电网中是电涌保护技术中的常用手段。在没有电涌的状态下，由于放电管处于断开状态，该串联电路几乎没有阻性电流通过，只有两个元件的固有电容相串联导致有微弱的容性电流通过，该容性电流乘以各自的容抗，就可求出电网工作电压在每个元件上的分电压，两个元件的分电压之和等于串联电路两端的电压(用Uc来代表)。压敏电阻的固有电容值在几千PF左右，而放电管的固有电容值只有1～5PF，两者相差约3个数量级，根据串联电路的欧姆定律，在放电管两端的分电压Ugdt约等于Uc，而压敏电阻两端的分电压Urv约等于零，也就是说电路两端的电网工作电压几乎全部加在放电管两端。

由于这种工作电压分配的极端不平衡带来了一些弊端，一是放电管的直流击穿电压值需选择较高，使放电管的厚度加大，价格增加；二是耐受电网电压异常波动的能力较弱，除非进一步大幅度提高放电管的直流击穿电压值；三是由于放电管的直流击穿电压值提高后，相应的冲击放电电压值也会提高，电涌波头窜入后级被保护电路的幅值也会较高，影响了保护效果。另外该串联电路作为一些更复杂的组合电路中的一部分时也会因工作电压分配不理想而起不到最佳的效果。

中国发明专利号201811040267.8公开了一个电涌保护电路，如图2所示，该电路在实际应用中，由于放电管GDT1和GDT2的固有电容非常小，在没有电涌冲击的常态下，电路两端的电网工作电压几乎全部加在两只放电管上，而GDT2的直流击穿电压值又不能选择太高，造成电路耐受电网电压异常波动的能力不高。例如在通常的220伏工频电网中，一种较常见的电网故障是零线接触不良或者断路，造成线路电压短时上升到接近380伏，这时GDT2就会导通，提前启动热保护功能动作，使电路在未损坏的情况下退出电网，造成浪费。在更特殊的情况下，当Rv2已经劣化到一定程度后，再遇到这种电网故障，Rv2也可能会被击穿，这时高达380伏的电网异常过电压会直接加在GDT1的两端，如果它的直流击穿电压值低于550伏，它也会导通，导致Rv1击穿短路，从而使电路的开路退出并安全失效的功能丧失，造成电网线路短路故障。又由于气体放电管的直流击穿电压值这一参数的离散性比较大，误差一般只能控制在标称值的±20﹪以内，所以，为了确保GDT1在此时不导通，其标称直流击穿电压值至少要选择大于700伏。

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，提供一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的方法，将压敏电阻与放电管串联接入工频电网后，在放电管处并联电阻器，通过设定电阻器的阻值，调节工频电网分配在压敏电阻上的分电压与放电管上的分电压之间的比例，在无浪涌的情况下，压敏电阻上的分电压与放电管上的分电压之和等于预设的工作电压，放电管两端的分电压大于等于工作电压的1％，并且小于等于工作电压的70％。

预设的电网工频工作电压为600V以下时，放电管的直流击穿电压值的取值范围为100V≤V_B＜600V，其中，V_B为放电管的直流击穿电压值。

优选的，压敏电阻与放电管之间的电压比例系数K的取值范围为0.43≤K≤99。

优选的，压敏电阻与放电管之间的电压比例系数K的取值范围为1≤K≤99。

优选的，压敏电阻与放电管之间的电压比例系数K的取值范围为4≤K≤99。

优选的，压敏电阻与放电管之间的电压比例系数K的取值范围为9≤K≤99。

一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的电路，放电管与电阻器并联后再与压敏电阻串联，形成一个单端口的串并联电路，单端口的串并联电路接入工频电网，单端口的串并联电路采用上述方案中的任一项方法，在工频电网无浪涌的情况下，调节压敏电阻与放电管之间的电压比例。

一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的组合电路，包括第一压敏电阻器、第二压敏电阻器、第一放电管、第二放电管、正温度系数热敏电阻、电阻器和引出端子，第一放电管和电阻器并联后再与第一压敏电阻串联，组成第一支路；正温度系数热敏电阻与第二放电管串联，组成第二支路；将第一支路和第二支路并联后再与第二压敏电阻器串联，形成一个单端口的组合电路，单端口的组合电路采用，在工频电网无浪涌的情况下，调节压敏电阻与放电管之间的电压比例。

电源模块、电源系统、低压输电线路中包含有采用上述方案中的任一项方法的一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例方法的电路。

电源模块、电源系统、低压输电线路中包含有上述任一的一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的电路。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、在压敏电阻与放电管串联后接入工频电网中的电涌保护中，在放电管两端并联电阻器，就可以方便地调整电网工作电压在各个元件上的负荷比例。就可以选择直流击穿电压值较低的放电管，可以降低电涌产生时在放电管导通前窜过的波头幅值，提高保护水平同时还具有更多的耐受电网电压异常波动的余量。

2、放电管与电阻器并联后再串联压敏电阻的电涌保护电路中，采用小功率、低精度的普通电阻器并联到放电管两端，就能有效降低放电管未击穿时两端的电压，从而可以采用更低直流击穿电压值的放电管，减小了放电管的厚度，且不影响压敏电阻串联放电管的电涌吸收特性，降低了放电管的采购成本。

附图说明

图1为实施例1中放电管两端并联一只电阻元件来调整阻抗的电路图；

图2为发明专利号201811040267.8公开的一个电涌保护电路；

图3为实施例2中一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的串并联组合式电路。

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。

实施例1

本发明提出了一种技术方案，即在电压600伏以下的50赫兹低压交流输电线路中，采用压敏电阻和放电管串联的电涌保护器作为二级或三级电涌保护，在压敏电阻和放电管串联后，在放电管两端并联一只电阻元件来调整阻抗，以达到重新分配工作电压负荷比例的目的，具体电路如图1所示，通过设计电阻器的电阻值，可以将放电管两端的工作电压负荷从接近串联电路两端的电压(用Uc来代表)到接近零之间任意选择。当电阻器的阻值远小于压敏电阻的固有容抗时，工作电压Uc可近似看成全部加在压敏电阻两端；当电阻器的阻值与压敏电阻的固有容抗相当时，工作电压Uc由放电管和压敏电阻按比例负荷，分担比例可由交流电路中的串联电路的欧姆定律计算；当电阻器的阻值趋于无穷大时，工作电压Uc可近似看成全部加在放电管两端。

设定压敏电阻两端电压为U₁，放电管和电阻器并联两端的电压为U₂，压敏电阻的容抗为X_C1，放电管的容抗为X_C2，电阻器的阻值为R，则通过欧姆定律，可以得出公式(1)，

其中，U₁+U₂＝U_C，K是压敏电阻两端电压U₁，放电管和电阻器并联两端的电压U₂之间的比例系数。当放电管的容抗远大于电阻器阻值R时，公式(1)可近似为公式(2)：

即，当放电管的容抗远大于电阻器阻值R时，压敏电阻两端电压U₁与放电管和电阻器并联两端的电压U₂成正比，并且比值由压敏电阻的容抗X_C1和电阻器的阻值R确定。

由于容抗f为工作频率，于是，公式(2)变换为公式(3)，

其中，C₁为压敏电阻的电容值。

在电压600伏以下的低压工频输电线路中，无电涌时，适用交流稳态电路分析方法，由于压敏电阻的固有电容典型值在1～3000PF左右，在50赫兹的工频下的容抗约为1～3兆欧。放电管的固有电容典型值在1～5PF左右，在50赫兹的工频下的容抗约为600兆欧～3000兆欧，与电阻器并联以后该容抗可以认为是远大于电阻器的阻值而可以忽略不计。因此，一般情况下，调节电压分配的电阻器阻值也在几千欧到十几兆欧之间选择。当电阻器的阻值选择几千欧时，与压敏电阻1～3兆欧的容抗串联，根据交流电路中的串联电路的欧姆定律公式，绝大部分电网电压分配在压敏电阻两端；而当电阻器的阻值选择十几兆欧时，大部分电网电压分配在电阻器也就是放电管的两端。当电阻器的阻值在几千欧到十几兆欧之间时，在无浪涌的前提下，压敏电阻、放电管上的分压可以根据交流电路中的串联电路的欧姆定律公式算出，以满足不同具体电路对它们之间的电压分配要求。在进行电压分配时，放电管两端的电压不能无限的降低，这将使得所选用的电阻器的阻值更低，对电阻器的功率性能要求更高，增加了电阻器的成本，不利于工程应用，所以，在进行压敏电阻和放电管电压分配时，需要将放电管直流击穿电压值作为限制条件考虑，一般地，放电管的直流击穿电压的下限电压值设置为100V，放电管直流击穿电压值的上限值为600V。因此，根据公式(1)～(2)，K的取值存在一个范围限定。

一般地，放电管两端的分电压U₂满足，U_c·1％≤U₂≤U_c·70％，当U_c＝600V时，6V≤U₂≤420V，计算出电压比例系数K的范围为0.43≤K≤99。

优选的，放电管两端的分电压U₂满足，U_c·1％≤U₂≤U_c·50％，当U_c＝600V时，6V≤U₂≤300V，计算出电压比例系数K的范围为1≤K≤99。

优选的，放电管两端的分电压U₂满足，U_c·1％≤U₂≤U_c·20％，当U_c＝600V时，6V≤U₂≤120V，计算出电压比例系数K的范围为4≤K≤99。

优选的，放电管两端的分电压U₂满足，U_c·1％≤U₂≤U_c·10％，当U_c＝600V时，6V≤U₂≤60V，计算出电压比例系数K的范围为9≤K≤99。

当压敏电阻和放电管均处于高阻不导通状态，几乎只有容性电流流过，就算此时电网电压为上限值600伏，压敏电阻的容抗为1兆欧的下限值，电阻器的阻值为5千欧的下限值，流过电阻器的电流才约为0.6毫安。当电涌产生时，只能用暂态电路分析方法，由于压敏电阻的响应速度很快(约为二十纳秒左右)，它将率先导通使流过电阻器的电流增加(该增量电流为电涌脉冲电流，非容性电流)，增加的速率与电涌电流波形的上升沿相同，就会将电阻器两端的电压提升到高于放电管的冲击放电电压值，放电管响应动作后就会导通泄放电涌电流，此时电阻器将被导通后的放电管短路，没有电流流过。

由于放电管的响应时间是与冲击电压的上升速率有关，上升越陡，响应越快。而电阻器两端的电压是与电涌电流同步没有延迟的，并且，阻值越高，电压上升沿越陡，放电管响应就会越快，可以使放电管的响应时间最快缩短到0.1微秒左右。在如此短的等待响应导通的时间内电阻器虽然要承受较高的瞬间功率，但产生的热量很低，例如，假设将放电管的直流击穿电压值选择为350伏，它的冲击放电电压值一般为直流击穿电压值的几倍，就算放宽到10倍，放电管响应时间就算放宽到1微秒，电阻器的阻值选择在下限区5千欧，电涌到来时，用电阻产生热量的计算公式：(Q为等待放电管响应导通的时间内电阻器产生的热量，U为放电管两端的冲击放电电压，R为电阻器的阻值，t为等待放电管响应导通的时间)，可以计算出电阻器在1微秒的发热热量为2.45毫焦耳，产生热量较低。因此，在电阻器的选择时，可以选择额定功率较低的电阻，按最保守的设置，选择额定功率小于2瓦的电阻作为电阻器就能满足一般情况下的需求。本发明的方法对电阻器的阻值精度没有要求，即使误差达到±20％，也不会影响触发放电管的导通，对自身的发热，也不会有明显的影响。电涌消失后，压敏电阻将回到高阻状态，切断放电管的续流，使放电管也回到断开状态。所以，放电管两端并联电阻器以后，并不影响压敏电阻串联放电管的电涌吸收特性。

在所有可供选择的无源元件中，电阻、电容、电感是最常见的元件，虽然在无电涌的稳态情况下，在放电管两端并联电容或电感，通过它们的容抗或感抗来分压也能起到调节工作电压分配的作用，但普遍存在体积大、价格贵的缺点。而且，电感器与压敏电阻的固有电容相串联，在它们阻抗相近的地方有一个谐振点，要产生震荡等不稳定工作状态，达不到分配电压的目的，这导致电感器的感抗只能远小于或远大于压敏电阻的固有容抗，不能平滑连续地分配工作电压负荷。而当每次电涌到来的暂态情况时，由于放电管的冲击放电电压值较高，都会对并联的元件产生一个电压冲击，相对于电阻和电感，电容器的抗电压冲击能力最弱，最容易过压损坏击穿，可靠性最低。因此，普通小功率电阻器具有价格最低，性能最稳定，抗瞬时过载能力强，可靠性高，体积也很小的优点，也最适合在本发明中的特定功能，是本发明的最佳选择。

实施例2

本发明的另一个实施例如图3所示。一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的串并联组合式电路，该电路设计用于600伏以下的工频交流输电线路中的电涌保护器专用高安全性电涌抑制芯片，该电路具有失效后安全退出电网的重要功能，避免了因特大雷击等意外原因使电涌保护器失效后造成的电网停电等突发事故。电路包括第一压敏电阻器Rv1、第二压敏电阻器Rv2、第一放电管GDT1、第二放电管GDT2、正温度系数热敏电阻Rt、电阻器R和引出端子T，第一放电管GDT1与电阻器R并联，然后与第一压敏电阻器Rv1组成如实施例1的串并联电路(即第一支路)。正温度系数热敏电阻Rt、第二放电管GDT2组成串联电路(即第二支路)。第一支路与第二支路并联后再与第二压敏电阻器Rv2串联，形成一个单端口的组合电路。单端口组合电路的两个引出端子T中有一个为低热阻导热端头，低热阻导热端头T与正温度系数热敏电阻Rt连接并且热耦合，低热阻导热端头T还外接过热脱离器。

在放电管GDT1的两端并联一只电阻器R，就可以方便地调整电网工作电压在各个元件上的负荷比例，将大部分工作电压分配在压敏电阻Rv1和Rv2上，放电管GDT1和GDT2上分配的电压较低，就可以将放电管的直流击穿电压值选择较低，可以降低电涌产生时在放电管导通前窜过的波头幅值，提高保护水平，还可以降低放电管的采购成本，同时还具有更强的耐受电网电压异常波动的余量。

在常见的220伏工频电网中，可以按照以下的方式选择图3中的元件参数值，压敏电阻Rv1由两只40K331方形瓷片并联组成，其固有电容约为4500PF，容抗为700千欧左右；Rv2选择40K391方形瓷片，其固有电容约为2000PF，容抗为1.6兆欧左右；电阻器R选择标称阻值为50±10％千欧，并且额定功率1瓦的金属膜电阻；放电管GDT1选择标称直流击穿电压350±20％伏、通流量50KA、固有电容约为3PF的放电管；GDT2选择标称直流击穿电压250±20％伏、通流量3KA、固有电容约为1PF的放电管；正温度系数热敏电阻Rt选择居里温度点160℃、零功率阻值200欧姆热敏电阻。

该电路接入电网后，在没有电涌冲击的稳态下，电路中几乎只有容性电流通过，这个电流使电网电压的约三分之二分配在Rv2上，接近三分之一分配在Rv1上，电阻器R也就是放电管GDT1上的分压大约为电网电压的2％，GDT2上的分压也约为电网电压的三分之一。即使出现背景技术中提到的电网故障导致电网电压从220伏上升到380伏，此时GDT2上的分压也才约127伏，这个分压的电压峰值也才约180伏，GDT2不会导通误动作，电路耐受电网异常波动的能力大幅度提高。在更特殊的情况下，当Rv2严重劣化而又同时叠加上述电网故障时，Rv2可能被击穿，此时380伏的异常过电压会加在Rv1与GDT1的串联支路上，这种条件下由于Rv1分担了约230伏的电压，GDT1的标称直流击穿电压值只需要选择大于300±20％伏就足以维持不导通状态了，电路仍可以从容地启动热保护功能安全退出电网。本电路除了可以发挥出中国发明专利号201811040267.8公开技术的全部功能外，并且还具有更高的耐受电网异常电压波动能力，更好的电涌抑制功能，选择更低击穿电压值的放电管降低的成本大于增加一只小功率电阻器的成本，本电路具有更低的元件成本。

Claims (10)

1.一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的方法，其特征在于，将压敏电阻与放电管串联接入工频电网后，在所述放电管处并联电阻器，通过设定所述电阻器的阻值，调节工频电网分配在所述压敏电阻上的分电压与放电管上的分电压之间的比例，在无浪涌的情况下，所述压敏电阻上的分电压与所述放电管上的分电压之和等于预设的工作电压，所述放电管两端的分电压大于等于工作电压的1％，并且小于等于工作电压的70％。

2.如权利要求1所述的一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的方法，其特征在于，所述预设的电网工频工作电压为600V以下时，放电管的直流击穿电压值的取值范围为100V≤V_B＜600V，其中，V_B为放电管的直流击穿电压值。

3.如权利要求2所述的一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的方法，其特征在于，所述压敏电阻与放电管之间的电压比例系数K的取值范围为0.43≤K≤99。

4.如权利要求2所述的一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的方法，其特征在于，所述压敏电阻与放电管之间的电压比例系数K的取值范围为1≤K≤99。

5.如权利要求2所述的一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的方法，其特征在于，所述压敏电阻与放电管之间的电压比例系数K的取值范围为4≤K≤99。

6.如权利要求2所述的一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的方法，其特征在于，所述压敏电阻与放电管之间的电压比例系数K的取值范围为9≤K≤99。

7.一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的电路，其特征在于，放电管与电阻器并联后再与压敏电阻串联，形成一个单端口的串并联电路，所述单端口的串并联电路接入工频电网，所述单端口的串并联电路采用如权利要求1-6任一所述方法，在工频电网无浪涌的情况下，调节所述压敏电阻与放电管之间的电压比例。

8.一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的组合电路，包括第一压敏电阻器、第二压敏电阻器、第一放电管、第二放电管、正温度系数热敏电阻、电阻器和引出端子，其特征在于，所述第一放电管和电阻器并联后再与第一压敏电阻串联，组成第一支路；所述正温度系数热敏电阻与第二放电管串联，组成第二支路；将所述第一支路和第二支路并联后再与所述第二压敏电阻器串联，形成一个单端口的组合电路，

所述单端口的组合电路采用如权利要求1-6任一所述方法，在工频电网无浪涌的情况下，调节所述压敏电阻与放电管之间的电压比例。

9.电源模块、电源系统、低压输电线路中包含有采用权利要求1-6任一的一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例方法的电路。

10.电源模块、电源系统、低压输电线路中包含有权利要求7或8的一种分配压敏电阻与放电管串联电路工作电压比例的电路。