CN2513208Y - 一种电源防雷器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种电源防雷器,包括至少一个以上的分别连接在电源相线、零线及地线的其中两线之间的放电模块和性能指示电路组成,其特征在于放电模块由主放电电路和启动电路并联组成,其中主放电电路由压敏电阻VR2和气体放电管G1串联组成,启动电路由压敏电阻VR1组成。本实用新型由于采用主放电电路和启动电路相结合的结构,利用由压敏电阻组成的启动电路来解决气体放电管完全启动前残压高的问题,并在气体放电管完全启动后,由主放电电路来承担主要的放电,使本实用新型的残压始终保持在一个比较低的范围内,并且这种结构的气体放电管和压敏电阻都可以选用具有较低启动电压的单个元件来实现其较高的整体启动电压,并有效提高其整体的响应速度。

Description

一种电源防雷器
技术领域
本实用新型涉及一种电源防雷器，特别是一种电源防雷器用放电模块。
背景技术电源防雷器(又称避雷器或浪涌保护器，简称SPD)是由若干个放电模块组成，因此，电源防雷器的性能基本上取决于放电模块的性能。目前各电源防雷器的放电模块最主要是采用如图1所示的单一氧化锌压敏电阻(MOV)，也有少数采用如图2所示的MOV与气体放电管(GDT)组合，其中MOV大都是采用西门子的SIOV-B32系列产品或SIOV-B40系列产品。GDT有WP公司产品、西门子公司产品等。其基本工作原理是：
在图1中，当A、B两点间电压UAB高出MOV的压敏电压U1V时，压敏电阻VR1导通，过电流I1流经VR1，并将电压钳在一定值上，保护了后续设备。而在图2中，由MOV与GDT串联组成放电模块，当C、D两点间电压UCD高出压敏电阻VR2的压敏电压U2V与GDT G1的击穿电压U1s之和时VR2与G1都导通，过电流I2流经放电模块，将电压钳在一定值上，保护了后续设备。这种结构的放电模块的优点是结构简单，便于生产。其缺点是性能不优，因此，有些时侯还出现防雷器在无雷击时自损、雷击时被保护设备还是遭雷击损坏等现象。而从防雷器的性能指标来讲主要表现在如下几个上；
1)、启动电压Uo：表征防雷器开始放电的电压，图1中，Uo＝U1V，图2中，Uo＝U2V+U1s。从理论上来讲Uo越高越好，这样防雷器不会因电网波动而放电自损。但Uo越高，残压也越高，保护效果差。我国的相关标准中启动电压规定为不小于220V的2.2倍，即484V。
2)、残压UP：残压是在一定波形冲击电流(本文所指残压为IEC等国际标准、我国的GA-173标准等推荐的雷电3KA 8/20μs波)下防雷器的钳位电压(又称保护电压)，该电压是雷电经防雷器后直接加在后续设备上的电压，因此，残压是防雷器的最主要指标，越低越好，但残压与启动电压是有关连的，即残压低，启动电压也低。图1中，残压完全由MOV的性能决定，一般残压为启动电压的约3倍。如Uo＝484V，则残压为1452V。图2中，残压为MOV与GDT残压之和，大都也在1500V。因此，由于现有的放电模块采用单一的MOV或简单的MOV与GDT串连使得启动电压Uo与残压UP两个相互制约的参数很难做到启动电压高、而残压低这样一个理想状况。现在采用传统放电模块的防雷器大都是：Uo＝500V，UP＝1500V。造成防雷器的整体性能差，难以达到理想的保护效果。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种反应速度快、启动电压较高而残压低、使用寿命长的电源防雷器。该电源防雷器包括至少一个以上的分别连接在电源相线、零线及地线的其中两线之间的放电模块和性能指示电路组成，其特征在于放电模块由主放电电路和启动电路并联组成，其中主放电电路由压敏电阻VR2和气体放电管G1串联组成，启动电路由压敏电阻VR1组成。
为有效降低在220V正常供电情况下气体放电管G1两端的分压，保证在降低气体放电管G1的启动电压的情况下，不会因220V的波动而损坏气体放电管G1，主放电电路的气体放电管G1两端并联有电阻R1，且气体放电管G1的两端分别串联有至少一个以上的压敏电阻VR2、VR4。
为进一步提高主放电电路的响应速度，并使电阻分压电路中也有非线性器件，而使其与压敏电阻等非线性器件相匹配，从而有效保证在不同的压敏电阻的情况下，可选用相同的电阻R1，上述主放电电路的电阻R1与瞬变抑制二极管T1串联后再和主体放电管G1并联。
为进一步降低主放电电路的残压，压敏电阻VR2、VR4的两端分别并联有至少一个以上的压敏电阻。
本实用新型由于采用主放电电路和启动电路相结合的结构，利用由压敏电阻组成的启动电路来解决气体放电管完全启动前残压高的问题，并在气体放电管完全启动后，由主放电电路来承担主要的放电，使本实用新型的残压始终保持在一个比较低的范围内，并且这种结构的气体放电管和压敏电阻都可以选用具有较低启动电压的单个元件来实现其较高的整体启动电压，并有效提高其整体的响应速度。同时，在气体放电管两端并联一个电阻R，可有效降低在220V正常情况下气体放电管两端的分压，保证在降低气体放电管G1启动电压的情况下，不会因220V电压的波动而损坏气体放电管，而且通过由电阻R和瞬变抑制二极管T1来组成电阻分压回路，既可通过瞬变抑制二极管T1在气体放电管G1两极管预分给一个固定的电压(约110V左右)，使雷电时只需再加一定的电压(约140V左右)即达到250V后就可以启动气体放电管G1，相当于提前启动气体放电管G1，进一步提高主放电电路的响应速度，又利用瞬变抑制二极管T1的非线性特性，使电阻分压回路也是一个非线性电路，从而与整个主放电回路的压敏电阻等非线性器件相匹配，保证在不同的压敏电阻情况下均可以选用相同的电阻R，而且用两个或多个容量较小的压敏电阻并联来代替一个大容量的压敏电阻，可进一步降低主放电电路的残压。
以下结合附图详细说明本实用新型的基本结构与工作原理：
附图说明
图1是现有放电电路实施方案I的结构示意图；
图2是现有放电电路实施方案II的结构示意图；
图3是本实用新型实施方案I的结构示意图；
图4是本实用新型的实施方案II的结构示意图；
图5是本实用新型放电模块实施方案的结构示意图；
图6本实用新型的放电模块的进一步实施方案结构示意图；
图7是本实用新型放电模块较佳实施方案的结构示意图；
图8是本实用新型放电模块最佳实施方案的结构示意图；
图9是本实用新型的气体放电管的伏安特性示意图；
图10是本实用新型两种情况下的标准雷电波形的对比示意图。
具体实施方式
如图4～5所示，本实用新型包括至少一个以上的分别连接在电源相线、零线及地线的其中两线之间的放电模块和性能指示电路组成，如图5所示放电模块由主放电电路和启动电路并联组成，其中主放电电路由压敏电阻VR2和气体放电管G1串联组成，启动电路由压敏电阻VR1组成。为有效降低在220V正常供电情况下气体放电管G1两端的分压，保证在降低气体放电管G1的启动电压的情况下，不会因220V的波动而损坏气体放电管G1，如图6所示，本实施例中上述主放电电路的气体放电管G1两端并联有电阻R1，且气体放电管G1的两端分别串联有至少一个以上的压敏电阻VR2、VR4。
为进一步提高主放电电路的响应速度，并使电阻R1电路中也有非线性器件，而使其与压敏电阻等非线性器件相匹配，从而有效保证在不同的压敏电阻的情况下，可选用相同的电阻R1，如图7所示，本实施例中上述主放电电路的电阻R1与瞬变抑制二极管T1串联后再和主体放电管G1并联。
为进一步降低主放电电路的残压，如图8所示，本实施例中上述压敏电阻VR2、VR4的两端分别并联有至少一个以上的压敏电阻。本实施例中，在保证可降低压敏电阻启动电压的情况下，压敏电阻VR2、VR4的两端分别并联有一个压敏电阻VR3或VR5。
本实用新型的工作原理是：放电模块由主放电电路与启动电路组成，其中主放电电路的作用是泄放强大的雷电流中的绝大部分，启动电路主要作用是协助主放电电路启动，即是在主放电电路完全工作前将雷电钳位在较低值(一般为800V左右)。
当外线电压UEF高出本实用新型的启动电压时，本实用新型中的启动电路先启动放电，接下来主放电电路放电，并将残压钳在一定值上。保护后续设备。
本实用新型充分利用了各种放电元器件的特点及雷电波的特性，使其启动电压较高而残压较低，其结构特点如下：
1)、设计的启动电路，使得整个放电模块的反应速度快：有效保证整个放电模块的残压在一个比较低的范围内，因主放电电路有多个MOV器件串连，使得响应时间是单个MOV的两倍，而响应时间与残压成反比，因此，如不加启动电路，则整个放电模块的残压会很高。
2)、主放电电路中，采取两种主要措施使在启动电压不变的情况下大大降低残压：(1)、采用MOV串GDT(GDT并有TVS等)再串MOV结构，其残压是三部分器件残压之和，两头的MOV的启动电压与残压的关系同传统的放电模块一样，电路的关键是中间串入了一个GDT，GDT的主要作用：改变启动电压与残压的关系，GDT有辉光放电和弧光放电两个放电阶段，伏安特性见图9。由图9可看出GDT的特点是启动电压高而导通后极间电压低，250V启动电压产品启动后极间电压不高于30V，也就是说当GDT完全导通后，主放电电路的残压是两个MOV残压之和加30V。这样主放电电路的残压是很低的了，而启动电压是三部启动电压之和。但我们从图9也可看出这样的结果是在GDT完全导通后，但在GDT完全导通前(GDT响应时间约100ns)100ns时间段内，主放电电路的残压还是三部分之和是相当高的。也就是说在100ns内主放电电路内的残压是相当高的，这一问题由启动电路解决。GDT并有TVS(TVS的特点是响应时间在几ns内，但容量较小)其作用是提高主放电电路的响应速度。主放电电路中MOV与GDT结合还有两大优点：利用GDT极间电阻大的特点(109级)解决了MOV老化问题，延长了MOV的使用寿命。利用MOV的伏安特性解决了GDT的续流问题，保护了GDT同时也使防雷器不影响供电质量。
下面结合雷电波来说明本实用新型的高启动电压与低残压的工作过程，见图10，在图6中VR1取启动电压500V，VR2到VR5取150V，GDT取DC250V。TVS取180V。
首先，计算启动电压，启动电路的启动电压为VR1的启动电压500V，主放电电路的启动电压为两组MOV之300V加TVS回路约200V(TVS本身为180V，电阻有约20V)等于500V。两电路的启动电压是相同的。其次，计算在主放电完全启动后的残压，两组MOV的残压为(150*3)*2＝900V，GDT极间电压为30V，因此，总残压为930V。该残压与传统放电模块的残压相比有了大大的改进。最后，分析在主放电电路中的GDT完全启动前的残压。在分析前，先要明白MOV在冲击电流下的残压变化规律，MOV的残压是在一定冲击电流下所测得的值，国际上一般取3KA 8/20μs，当冲击电流小于该值时，MOV的残压就不是启动电压的3倍了，要小一些，具体值与MOV本身的容量、启动电压、生产工艺有很大的关系，如：实测西门子的500V 8KA(3KA 8/20μs)MOV在5KA时为1510V，3KA时残压为1450V，2KA时为1350V，1KA时为1000V，700A时为950V，100A时为870V。由此可看出3KA以上时残压基本为1500V，700A以下残压就低多了。下面再分析在雷电达到防雷器启动电压后GDT完全启动前约100ns内的雷电流有多大。图10中，6KV 1.2/50μs雷电压需100ns达到启动500V的A点。相对应的雷电流以3KA 8/20μs在100ns内才到0.0375KA的A1点，从A点(A1点)开始GDT还需100ns才完全启动，此时已到B点(B1点)，B1点的的电流为0.075KA，照上述数据启动电路完全能将该雷电流钳位在870V内。这些是在标准测试波下得到的数据，在实际雷击过程中如雷电流大十倍启动电路都能在GDT启动前将雷电钳位在900V内。
主放电回路还有两个特点：一是：主放电回路中的TVS的另一作用是在正常情况下将220V工作电压分给GDT两极间110V，这样雷电只要在再加140V到250V后GDT就开始启动了，相当于GDT提前启动，也就等于GDT的响应变快了。其次：主放电电路中的MOV采用多片并连，这样的结构使得在同一启动电压下残压比采用单一大容量MOV的残压低，这是MOV的内部结构所决定的。这一点从西门子产品资料中可查出，如多个S20K150并连后残压为900V，单一B32K150的残压为1100V。两者相差还较大的。
综上所述，有了上述的优点分析，并对比本实用新型放电模块的实测结果，下表为用不同的冲击设备对本实用新型组成的40KA防雷器进行的实测结果：
冲击电流8/20μs 残压
1KA  690V
 2KA  730V
 3KA  830V
 5KA  850V
 7.5KA  880V
 10KA  910V
 15KA  930V
 20KA  950V
可以清楚地反映出本实用新型的放电模块结构虽比传统放电模块要稍微复杂一些，但性能优良得多，具体比较见下表：
主要性能   本实用新型模块 单一MOV模块 说明
启动电压 500V  500V 启动电压相同，残压相差很大
残压 830V  1500V
漏电流 3μA  12μA 漏电大加速MOV老化

Claims (4)

1、一种电源防雷器，包括至少一个以上的分别连接在电源相线、零线及地线的其中两线之间的放电模块和性能指示电路组成，其特征在于放电模块由主放电电路和启动电路并联组成，其中主放电电路由压敏电阻VR2和气体放电管G1串联组成，启动电路由压敏电阻VR1组成。
2、根据权利要求1所述的电源防雷器，其特征在于上述主放电电路的气体放电管G1两端并联有电阻R1，且气体放电管G1的两端分别串联有至少一个以上的压敏电阻VR2、VR4。
3、根据权利要求2述的电源防雷器，其特征在于上述主放电电路的电阻R1与瞬变抑制二极管T1串联后再和气体放电管G1并联。
4、根据权利要求2或3所述的电源防雷器，其特征在于上述压敏电阻VR2、VR4的两端分别并联有至少一个以上的压敏电阻。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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