CN113629684B - 一种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块 - Google Patents

一种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块，由智能控制单元与开关型浪涌保护单元组合组成；智能控制单元具有自动过电压能量耦合触发电路和可控的触发型开关，可以对工频过电压、操作过电压等内部过电压和外部雷电过电压实现智能感知和自动选通，因而使得智能开关型组合式浪涌保护模块具有工频耐受电压非常高、雷电电压保护水平高的显著特点，可以应用通信基站供电电源及基站主设备供电电源经常性、长持续时间的高工频过电压场景的过电压保护。

Description

一种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌 保护模块
技术领域
本发明涉及一种智能开关型组合式浪涌保护模块，特别涉及一种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块。
背景技术
浪涌保护器是通信领域基站电源、基站通信设备电源的重要的过电压保护保护器件，压敏电阻是通信电源雷电过电压保护保护的最通用、最重要的保护器件之一，在通信领域获得了越来越广泛的应用。在通信领域的过电压保护中，压敏电阻一般工作在约60-75%的荷电率条件下。
实际上，通信基站、通信设备等的供电电源一般为220V、380V或直流48V电源。对于交流单相、三相供电电源，一般来源于10kV的输配电网，因此，10kV输配电网运行的稳定性对通信基站等的运行稳定性和安全性有着必然的影响作用。对于10kV的输配电网，工频电压升高可达系统最高运行线电压的1.1倍。例如10kV系统的最高运行电压按1.15Ue计算，10kV系统过电压保护避雷器的额定电压为12.7kV。由于空载线路的电容效应，空载线路末端电压较线路首端电压有较大的升高，线路长度越长，末端电压升的越高。但由于受线路电阻和电晕损耗的限制，过压倍数一般不超过2.9倍。在电网系统中可以通过电容补偿、电抗器等措施限制电网线路中的过电压，对于我国的供电电网，工频过电压的升高倍数限制的比较好，但对于国外、特别是亚洲一些国家，10kV电网经常存在持续时间较长、工频电源过压倍数高至5-7倍的现象。
10kV电网的经常性、持续时间较长的工频电源升高，造成通信电源、通信设备供电电源的长期供电电源设备升高，对电源的过电压防护造成了巨大的影响和破坏作用。举例来讲，正常运行情况下，多层过电压保护间隙设计在60%的荷电率工作状态，工频电压的升高现象，大幅度提高了多层过电压保护间隙的荷电率（如果工频电压升高5倍，多层保护间隙工作的荷电率将升高到300%），致使多层过电压保护间隙进入导通状态而引发长时间的工频后续电流，造成对多层电压保护间隙雷击后绝缘特性的恢复特性的影响，严重时可能造成工频电源的短路；针对这种情况，保护方案的设计方法一般通过增加多层保护间隙的放电间隙的数量，降低工频过电压状况下多层间隙过电压保护器的工作的荷电率，但带来的问题是雷电过电压下，雷电冲击残压的升高和电压保护水平的降低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块，能够在工频过电压供电场景下正常安全运行，且在雷电过电压情况下具有高电压保护水平。
为实现上述目的，本发明采用如下技术申请：
一种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块，包括安装在封闭空间里的智能控制单元和开关型浪涌保护单元；
开关型浪涌保护单元由固定开关型浪涌保护部分和可控开关型浪涌保护部分串联而成，其中，固定开关型浪涌保护部分由5-10个或更多个放电间隙串联的开关型浪涌保护部分组成，可控开关型浪涌保护部分由固定开关型浪涌保护部分中放电间隙数量的2-7倍的放电间隙的串联而成；
固定开关型浪涌保护部分的上电极与可控开关型浪涌保护部分的下电极分别作为智能开关型组合式浪涌保护模块的上电极和下电极，固定开关型浪涌保护部分的下电极与可控开关型浪涌保护部分的上电极相连并作为中间电极；可控开关型浪涌保护部分的多层放电间隙分成多个分组，且在可控开关型浪涌保护部分的每分组之间设计有对外电气连接的可控输出端子；
智能控制单元是触发型开关和自动过电压能量耦合触发电路组成的具有二端口的电路网络，该智能控制单元的二端口网络能够区别对待工频过电压、操作过电压和雷电过电压，智能控制单元的两个输入端与智能组合式浪涌保护模块的上电极、下电极分别相连，智能控制单元的两个输出端与智能组合浪涌保护模块可控开关型浪涌保护部分的上电极和下电极分别连接。
进一步，放电间隙由成对设置的两个类梯形电极和中间绝缘介质材料组成，类梯形电极包括中间梯形结构和从梯形结构两侧向外延伸出的延伸部，两个类梯形电极顶部相向对称放置，环形结构的绝缘介质材料位于两个类梯形电极的延伸部之间。
进一步，所述电极外形为圆形、方形或椭圆形；各放电间隙中两电极距离为0.2-1.0mm，绝缘介质材料厚度是两电极距离的1.5-2倍。
进一步，所述类梯形电极中间梯形结构顶部，及中间梯形结构与延伸部连接处进行了倒角处理。
进一步，所述自动过电压耦合触发电路由耦合电容C1、耦合电阻R1和一端连接在耦合电容C1和耦合电阻R1之间的隔离间隙G1组成。
进一步，所述自动过电压耦合触发电路由耦合电容C1、耦合电阻R1和隔离间隙G1、隔离间隙G2组成；隔离间隙G2、耦合电阻R1与耦合电容C1串联，隔离间隙G1一端连接在耦合电容C1和耦合电阻R1之间。
进一步，所述自动过电压耦合触发电路由耦合电容C1、耦合电感L1和隔离间隙G1组成，隔离间隙G1一端连接在耦合电容C1和耦合电感L1之间。
进一步，所述自动过电压耦合触发电路由耦合电容C1、耦合电感L1和隔离间隙G1、隔离间隙G2组成；隔离间隙G2、耦合电容C1与耦合电感L1串联，隔离间隙G1一端连接在耦合电容C1和耦合电感L1之间。
进一步，所述触发型开关为工作在气体环境中的三电极开关，工作在真空环境中的三电极开关或工作在真空环境中的固态开关，智能控制单元的触发型开关具有不小于开关型浪涌保护单元的过电压通流容量。
进一步，所述智能控制单元和开关型浪涌保护单元分别封装在两个标准或一个大尺寸空间中。
本发明由智能控制单元与开关型浪涌保护单元组成而成的智能开关型组合式浪涌保护模块，智能开关型组合式浪涌保护模块的开关型浪涌保护单元是具有上电极、下电极和中间电极三个电气连接端子的保护器件，所述的开关型浪涌保护单元包括固定开关型浪涌保护部分和可控开关型浪涌保护部分；智能控制单元可以自动耦合过电压的能量，实现智能开关型组合式浪涌保护器对过电压的快速响应，开关型浪涌保护单元将过电压限制在一定的水平，可以对后续工频电流进行有效的抑制。
开关型浪涌保护单元是由一个固定开关型浪涌保护部分和一个具有多个输出端口的、由多组开关型浪涌保护单元的可控开关型浪涌保护部分串联组成的，一方面确保正常工作条件下，智能开关型组合式浪涌保护模块工作的荷电率很小，因而具有极高的工作稳定性，使得在较高倍数的工频过电压情况下不会发生工频过压击穿的现象，但在雷电过电压作用下，电压保护水平仅由智能开关型组合式浪涌保护模块的固定浪涌保护单元决定，确保了在雷电过电压下有非常优良的电压保护水平，避免通信电源、通信设备免遭雷电的破坏或干扰影响，极大提升了浪涌保护模块的保护性能。
附图说明
图1是本发明智能开关型组合式浪涌保护模块的原理示意图；
图2是本发明中智能控制单元的第一种原理示意图；
图3是本发明中智能控制单元的第二种原理示意图；
图4是本发明中智能控制单元的第三种原理示意图；
图5是本发明中智能控制单元的第四种原理示意图；
图中：EU-上电极；ED-下电极；EM-中间电极；1-绝缘外壳；2-绝缘连杆。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
参见图1，本发明的一种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块，智能开关型组合式浪涌保护模块主要由智能控制单元、开关型浪涌保护单元以及许多连接电极组成。
智能控制单元和开关型浪涌保护单元分别封装在两个标准的2P或更大的绝缘外壳1中，开关型浪涌保护单元由固定开关型浪涌保护部分和可控开关型浪涌保护部分串联连接组成，其中，固定开关型浪涌保护部分由5-10个放电间隙串联的开关型浪涌保护部分组成，可控开关型浪涌保护部分由多个放电间隙串联的开关型浪涌保护部分组成，可控开关型浪涌保护部分含有的多层放电间隙的数量是固定开关型浪涌保护部分中多层放电间隙数量的2-7倍。
多层放电间隙由放电电极和绝缘介质隔离组成，放电电极之间通过绝缘介质隔离I1、……、In绝缘隔开，其中绝缘隔离I1、……、In的高度或者说厚度为Hg1、……、Hgn。绝缘介质隔离I1、……、In的高度或者说厚度Hg1、……、Hgn大于放电间隙距离Dg1、……、Dgn，大于的倍数可以控制在1.5-2倍之间，确保多层过电压保护器的放电是通过过电压保护器的放电间隙而不是用过绝缘隔离介质发生沿面放电而影响多层间隙过电压保护器的击穿特性和使用寿命。绝缘介质隔离的形状是具有中孔的圆形、方形或椭圆形结构，与电极的圆形、方形或椭圆形结构相适应。多层放电间隙通过贯穿各电极和绝缘介质材料的绝缘连杆2串联连接。
每对放电电极的由两个类梯形电极组成，类梯形电极包括中间梯形结构和从梯形结构两侧向外延伸出的延伸部，两个类梯形电极顶部相向对称放置构成一对电极对。类梯形电极中间梯形结构顶部，及中间梯形结构与延伸部连接处具有一定角度的倒角结构，以避免出现尖端放电造成电场分布的畸变，从而使过电压保护器的击穿特性发生改变。
同时，将可控开关型浪涌保护部分的多层放电间隙串联并分成2-7或更多个分组，且在可控开关型浪涌保护部分的每分组之间设计有对外电气连接的可控输出端子E2t、E3t、E4t、E5t和E6t，可设置m-1个可控输出端子，第m-1个为Emt，固定开关型浪涌保护部分的上电极、可控开关型浪涌保护部分的下电极以及固定与可控开关型浪涌保护部分电气连接的电极构成开关型浪涌保护单元的上电极EU、下电极ED和中间电极EM。
参见图1，高工频过电压的严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块的可控开关型浪涌保护部分的每分组之间设计有对外电气连接的可控输出端子E2t、E3t、E4t、E5t和E6t的连接方式为：
1）当工频过电压的倍数为2时，将可控输出端子E2t、E3t、E4t、E5t和E6t与下电极ED电气连接；
2）当工频过电压的倍数为3时，将可控输出端子E3t、E4t、E5t和E6t与下电极ED电气连接；
3）当工频过电压的倍数为4时，将可控输出端子E4t、E5t和E6t与下电极ED电气连接；
4）当工频过电压的倍数为5时，将可控输出端子E5t和E6t与下电极ED电气连接；
5）当工频过电压的倍数为6时，将可控输出端子E6t与下电极ED电气连接；
6）当工频过电压的倍数为7时，智能过电压浪涌保护模块的3个正常连接端为上电极EU、中电极EM和下电极ED。
参见图1，本发明种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块，其智能控制单元是一个具有二端口的电路网络，其输入二端口连接在开关型浪涌保护单元的上电极EU和下电极ED之间，其输出二端口连接在可控开关型浪涌保护部分的两端，即连接在智能组合式浪涌保护单元的中间电极EM与下电极ED之间。
智能控制单元由自动过电压能量耦合触发电路和触发型开关S组成，自动过电压耦合触发电路由耦合电容C1、耦合电阻R1和隔离间隙G组成。触发型开关可以是工作在气体环境中的三电极开关，也可以是工作在真空环境中的三电极开关或固态开关，触发型开关应具有不小于开关型浪涌保护单元的过电压通流容量。
参见图2、图3、图4、图5，本发明种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块，其智能控制单元可以如下设计：
如图2所示，智能控制单元由自动过电压能量耦合触发电路和触发型开关S连接，自动过电压耦合触发电路由耦合电容C1、耦合电阻R1和连接在耦合电容C1和耦合电阻R1之间的隔离间隙G1组成，其中耦合电容C1和耦合电阻R1的参数可以根据雷电过电压的波形的中心频率进行选择。
如图3所示，自动过电压耦合触发电路由耦合电容C1、耦合电阻R1和隔离间隙G1、隔离间隙G2组成；隔离间隙G2、耦合电阻R1与耦合电容C1串联，隔离间隙G1连接在耦合电容C1和耦合电阻R1之间，其中耦合电容C1和耦合电阻R1的参数可以根据雷电过电压的波形的中心频率进行选择。
如图4所示，自动过电压耦合触发电路也可以由耦合电容C1、耦合电感L1和隔离间隙G1组成，隔离间隙G1连接在耦合电容C1和耦合电感L1之间，其中耦合电容C1和耦合电感L1的参数也可以根据雷电过电压的波形的中心频率进行选择。
如图5所示，自动过电压耦合触发电路也可以由耦合电容C1、耦合电感L1和隔离间隙G1、隔离间隙G2组成；隔离间隙G2、耦合电容C1与耦合电感L1串联，隔离间隙G1连接在耦合电容C1和耦合电感L1之间，其中耦合电容C1和耦合电感L1的参数也可以根据雷电过电压的波形的中心频率进行选择。
本发明不同于现有开关型浪涌保护器的最显著特点是：
一种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块，通过在可控开关型浪涌保护部分的每分组之间设计由对外电气连接的可控输出端子E2t、E3t、E4t、E5t和E6t的设计思想，并通过对可控输出端E2t、E3t、E4t、E5t和E6t的电气连接控制，可以确保不同工频过电压倍数、且持续时间较长的情况下，开关型浪涌保护模块均可以工作在较低的荷电率状态下，因而具有极高的工作稳定性，使得在较高倍数的工频过电压情况下不会发生工频过压击穿的现象；而在雷电过电压下，利用本申请专利提出和设计的智能控制单元，通过具有选通功能的自动过电压能量耦合触发电路的过电压能量的耦合，确保能量耦合触发电路只在高频的雷电过电压作用下能够输出触发脉冲给触发型开关的触发极，加速触发型开关的导通，从而将可控浪涌保护单元短路，将智能组合式浪涌保护模块的雷电冲击残压限制在固定开关型浪涌保护部分的冲击残压值。
总之，本发明的一种高工频过电压严酷供电环境下的智能组合式浪涌保护模块，不仅可以承受不同过压倍数的工频电压升高状况，具有极小的工频泄漏电流，又可以保证在雷电过电压情况下，具有很高的电压保护水平，该智能开关型组合式浪涌保护模块可以用于通信、电力输配电及类似应用场合的雷电感应过电压防护。
参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本专利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块，其特征在于：包括安装在封闭空间里的智能控制单元和开关型浪涌保护单元；
开关型浪涌保护单元由固定开关型浪涌保护部分和可控开关型浪涌保护部分串联而成，其中，固定开关型浪涌保护部分由5-10个放电间隙串联的开关型浪涌保护部分组成，可控开关型浪涌保护部分由固定开关型浪涌保护部分中放电间隙数量的2-7倍的放电间隙的串联而成；
固定开关型浪涌保护部分的上电极与可控开关型浪涌保护部分的下电极分别作为智能开关型组合式浪涌保护模块的上电极和下电极，固定开关型浪涌保护部分的下电极与可控开关型浪涌保护部分的上电极相连并作为中间电极；可控开关型浪涌保护部分的多层放电间隙分成多个分组，且在可控开关型浪涌保护部分的每分组之间设计有对外电气连接的可控输出端子；
智能控制单元是触发型开关和自动过电压能量耦合触发电路组成的具有二端口的电路网络，该智能控制单元的二端口网络能够区别对待工频过电压、操作过电压和雷电过电压，智能控制单元的两个输入端与智能组合式浪涌保护模块的上电极、下电极分别相连，智能控制单元的两个输出端与智能组合浪涌保护模块可控开关型浪涌保护部分的上电极和下电极分别连接。
2.根据权利要求1所述的一种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块，其特征在于：放电间隙由成对设置的两个类梯形电极和中间绝缘介质材料组成，类梯形电极包括中间梯形结构和从梯形结构两侧向外延伸出的延伸部，两个类梯形电极顶部相向对称放置，环形结构的绝缘介质材料位于两个类梯形电极的延伸部之间。
3.根据权利要求2所述的一种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块，其特征在于：所述电极外形为圆形、方形或椭圆形；各放电间隙中两电极距离为0.2-1.0mm，绝缘介质材料厚度是两电极距离的1.5-2倍。
4.根据权利要求2所述的一种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块，其特征在于：所述类梯形电极中间梯形结构顶部，及中间梯形结构与延伸部连接处进行了倒角处理。
5.根据权利要求1所述的一种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块，其特征在于：所述自动过电压耦合触发电路由耦合电容C1、耦合电阻R1和一端连接在耦合电容C1和耦合电阻R1之间的隔离间隙G1组成。
6.根据权利要求1所述的一种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块，其特征在于：所述自动过电压耦合触发电路由耦合电容C1、耦合电阻R1和隔离间隙G1、隔离间隙G2组成；隔离间隙G2、耦合电阻R1与耦合电容C1串联，隔离间隙G1一端连接在耦合电容C1和耦合电阻R1之间。
7.根据权利要求1所述的一种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块，其特征在于：所述自动过电压耦合触发电路由耦合电容C1、耦合电感L1和隔离间隙G1组成，隔离间隙G1一端连接在耦合电容C1和耦合电感L1之间。
8.根据权利要求1所述的一种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块，其特征在于：所述自动过电压耦合触发电路由耦合电容C1、耦合电感L1和隔离间隙G1、隔离间隙G2组成；隔离间隙G2、耦合电容C1与耦合电感L1串联，隔离间隙G1一端连接在耦合电容C1和耦合电感L1之间。
9.根据权利要求5-8任一项所述的一种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块，其特征在于：所述触发型开关为工作在气体环境中的三电极开关，工作在真空环境中的三电极开关或工作在真空环境中的固态开关，智能控制单元的触发型开关具有不小于开关型浪涌保护单元的过电压通流容量。
10.根据权利要求9所述的一种高工频过电压严酷供电环境下的智能开关型组合式浪涌保护模块，其特征在于：所述智能控制单元和开关型浪涌保护单元分别封装在两个标准或一个大尺寸空间中。
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主动型过电压保护间隙场击穿触发回路的暂态特性研究;王晨光 等;《西安交通大学学报》;西安交通大学学报;20170228;第51卷(第2期);第104-110页 *
通信基站监控设备电源综合浪涌防护研究;肖良平 等;《电瓷避雷器》;电瓷避雷器;20180831(第284期);第194-199页 *

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