开关型SPD触发技术的研究

开关型 SPD 触发技术的研究 许年生许年生 刘明东刘明东 上海电器科学研究所 集团 有限公司上海电器科学研究所 集团 有限公司 摘要 摘要 本文介绍了开关型 SPD 典型的三种触发技术 比较了各 自的特点 并根据栅片灭弧结构的特点 提出新的触发技术 多 点火花触发 详细描述了所提出的触发技术的工作原理及过程 最 后通过模拟试验进行了验证 证实了 多点火花触发 的可行性 关键词 关键词 开关型 SPD 触发技术 火花隙 Research of the Trigger Technology for Switching Type SPD XU Niansheng LIU Mingdong Shanghai Electrical Apparatus Research Institute Group Co Ltd Shanghai 200063 China Abstract In this paper the authors introduced three typical trigger technology of switching SPD and compared their feature The new trigger technology multi spark trigger were put forward according to the characteristic of splitter arc chamber structure And the principle and working procedure of trigger technology were described in detail in this paper Finally the practicability of the multi spark trigger technology has been demonstrated through simulation test Key words switching type SPD trigger technology spark gap 0 引言引言 开关型 SPD 电涌保护器 的通流能力大以及漏电流小的优势显而易见 但其残压 高以及有工频续流产生的缺陷也非常明显 随着技术的不断发展 开关型 SPD 的电压保 护水平以及断开续流能力都有了极大的改善 尤其是触发技术的应用 对提升开关型 SPD 性能起了关键作用 1 传统的开关型传统的开关型 SPD 概况概况 传统的开关型 SPD 是仅有两个放电电极的简单放电结构 属被动式放电结构 这种 结构存在诸多缺陷 主电极距离小 放电电压高 可达到 4kV 左右或更高 制约了开 许 年 生 1980 男 本科 助理工程 师 从事电涌保护器 的应用与产品研究 关型 SPD 的应用 2 现有开关型现有开关型 SPD 的触发技术的触发技术 对于开关型 SPD 而言 触发技术的应用是改善产品电压保护水平和断开续流能力的 关键要素 为了适应现代过电压防护的需求 国外厂家进行了深入研究 通过 触发技术 的实施 不但降低了放电电压 也为提高产品的断开续流能力创造了条件 目前 现有触 发技术分别为 电容网络触发 脉冲变压器触发以及能量触发 2 1电容网络逐级触发电容网络逐级触发 1 2 原理如图 1a 所示 除最后一个间隙 Sgn 1外 其它各间隙对公共端之间都并接一个电 容器 几百到数千 PF 这样一来 当电涌电压出现在这个组件上时 首先是电容器 C1的旁 路作用 电压几乎全部加在 Sg1上 因而间隙 Sg1首先击穿导通 同理推知 间隙 Sg2 Sg3 将依此击穿导通 该触发技术适用于由多个小间隙串联的开关型 SPD 中 2 2脉冲变压器触发脉冲变压器触发 2 3 脉冲变压器触发是一种应用较广泛的技术 特别适用于 单个火花隙 触发结构 原 理如图 1b 它有主电极 a b 分别与 L 和 PE N 相连 和变压器触发电极 c 也称为点火 电极 三个电极 a b 间的主放电间隙 S 大于 a c 间的触发间隙 因而 a c 间击穿 电压比 a b 间的击穿电压低得多 当经过变压器放大的电涌电压出现在 a c 上时 间隙 首先击穿导通并释放出带电粒子 在主电极 a b 间电场作用下 带电粒子加速运动 进而引起间隙 S 击穿导通 a 电容网络触发 b 脉冲变压器触发 c 能量触发 图 1 三种典型的触发技术 2 3能量触发能量触发 原理如图 1c 与脉冲变压器触发区别在于 作用在触发间隙上 的电压直接是电涌 电压 该触发技术不像脉冲变压器那样受功率的限制 只能单个脉冲式的触发 而是连续 地维持触发电弧的燃烧 直到电弧所释放的等离子足以在电场作用下引起主电极的击穿 上述三种触发技术是目前开关型 SPD 的触发技术 其特点如表 1 所示 表 1 触发技术的比较 触发技术 项 目 电容网络触发脉冲变压器触发能量触发 适用的主间隙结构多层小间隙串联单个小 距离 间隙单个大 距离 间隙 主间隙距离小一般较大 触发间隙距离共用主间隙 0 5mm 0 2mm 触发电弧维持时间短短长 可靠性一般较好好 从表 1 中的特点可以看出 在设计开关型 SPD 时 应用何种触发技术需要综合放电 结构 断开续流能力等进行匹配选择才行 3 多点火花触发技术多点火花触发技术 栅片灭弧是低压电器中常规的灭弧技术 利用该技术解决开关型 SPD 中的续流问题 是 SPD 设计人员的选择之一 通常选择栅片灭弧方式的 SPD 内主体结构的基本特征主要有以下几点 1 属于单间隙放电结构 2 主间隙距离大 3 由于增加了灭弧室 因此主间隙的空间也比较大 4 为了电弧能够更快进入灭弧室 气流方向是朝向灭弧室设计的 结合表 1 分析可以看出 能量触发 技术是比较适用的 但分析国内外应用 能量触发 技术的 SPD 结构 具有下列几点特征 1 属于单间隙放电结构 2 主间隙距离大 3 无灭弧室 主间隙空间小 4 为了降低触发时间 气流是在电极之间单向流通设计的 从上述内容可以看出 第 3 4 点特征与栅片灭弧方式的 SPD 内主体结构的特征并不 相同 而这些因素对触发技术的实施起着重要的作用 基于上述问题 本文提出 多点火花触发 技术 该技术产生的触发电弧更长 强化了 对大空间放电间隙的触发影响 提高触发效率 更适合栅片灭弧方式的开关型 SPD 使用 为了验证 多点火花触发 技术的特性 建立了具有栅片灭弧的火花隙结构 图 2a 结构中主间隙 主放电电极的距离 采用了大间距设置 并有呈现对称布置的两个气体冷 却通道 此外 根据 多点火花触发 技术要求 设置了三段触发电弧 原理见图 2b a 结构示意图 b 原理图 图 2 多点火花触发技术 图 2b 中有三个微小的间隙和一个大间隙 主间隙 三个微小间隙中两个分别与触发 电容相连 一个与压敏电阻串联 该触发技术的工作原理如下所述 当一个电涌作用于该电路 L PE N 间时 由于电容的高频短路特性 与电容串联的 第一个触发间隙将首先击穿放电 图 3a 接着脉冲电压出现在第二个触发间隙上 同样 通过一个电容串联在电路中 与第一个间隙一样被击穿放电 图 3b 然后脉冲电压出 现在第三个触发间隙与压敏电阻串联的触发电路上 开始 MOV 可视为等效电容第三个触 发间隙首先击穿 随后 MOV 导通并表现出非线性伏安特性 图 3c 随着时间的延长和 脉冲波能量的加强 三个触发间隙形成的电弧逐步形成具有一定强度的长触发电弧 见图 3d 由此形成的 长持续 触发电弧大量释放热离子体并影响主间隙间的绝缘性能和电场分 布 直到主电极击穿放电 图 3e 此时 由于主电极被触发放电后形成的弧压降低于压敏 电压 因此 触发电路会在主电极击穿之后随即关闭 最终达到电涌保护的目的 L PE N 气流方向 灭弧室 放电间隙 A a b c d e 图 3 多点火花触发工作原理过程图 图 4 为本技术的测试波形 图中可以看出 压敏电阻动作之前有两次电压跌落 第一次 A 点开始 对应图 3a 第二次 A 点开始 对应图 3b 压敏电阻压降 B 点开始 则对应图 3c 和 3d 的过 程情况 图 4 电涌下的多点火花触发技术响应特性测试波形 从上述多点火花触发技术的原理分析 该技术具有触发电压低 触发可靠 稳定并有 利于灭弧的设计 1 低的触发电压 本技术的特点是通过将触发间隙分成 n 个串联的较小的触发间隙 并逐级触发 以此 降低其放电电压与分散性 譬如 单个触发间隙的放电电压为 Uf 而通过本技术的实施 将该间隙分为 n n 2 3 4 个微触发间隙后 其每个微触发间隙放电电压为 Ud Ud Uf 1 n 显然 U d Uf 通过串联的多个微间隙代替一个大间隙的结构 结合容性分级电路 A 可以达到降低触发电压的目的 2 可靠性和稳定性 多点火花触发技术对主电极之间的距离要求宽松很多 从原理上可以看出 触发电弧 在主电极没有放电之前一直持续存在的 且通过 多点火化 共同作用产生的 长 的触发电 弧 图 3d 并远离 单个触发间隙 如此既保证了触发电弧持续存在不对触发间隙距离造 成影响 使得 触发 可以反复地可靠工作 同时又大大增加了触发电弧作用主间隙的力度 确保主间隙可靠放电 此外 根据电弧理论 电弧对电极的侵蚀程度与电弧长度成反比 4 因此 本产品既延续了 脉冲变压器触发 的可靠工作特性 又具有 能量触发 的稳定性 3 有利于灭弧室有效工作 由于具有 能量触发 的可靠性 主间隙可以设置较大 由此形成工频续流电弧将有较 大的初始长度 至少是主放电电极的距离长度 从而可以一定程度提高限流性能 同时 电弧也更容易进入灭弧室 因此 更有利于灭弧室熄灭工频续流 4 结论结论 现有开关型 SPD 触发技术有电容网络触发 脉冲变压器触发以及能量触发 这些技 术存在各自的特点 多点火花触发技术在保证大通流容量特性的前提下 满足了采用灭弧 室的大间隙放电结构的开关型 SPD 要求 使得开关型 SPD 的电压保护水平与遮断续流能 力同时得到提高和改善 另外 由于多点火花触发技术同时实现了较低的放电电压 也为 开关型 SP